SCADA, HMI und Prozessautomatisierung – Fragen

Fragen und Antworten zu SCADA, HMI und Prozesssteuerung

1. Was ist mit SISO und MIMO gemeint?

Dies bezieht sich auf die Zusammenschaltung, physisch oder logisch:

• SISO – Single Input, Single Output (ein Eingang, ein Ausgang). Beispiel: einfache geschlossene Regelkreise.
• MIMO – Multiple Input, Multiple Output (mehrere Eingänge, mehrere Ausgänge). Beispiel: komplexe Systeme und offene Regelkreise.

2. Wovon würde Ihre Entscheidung für eine SPS- oder PLS-basierte Umsetzung abhängen?

Zu berücksichtigende Faktoren:

• a) Anforderungsfaktor: Review meiner Prozesse zu kontrollieren
• b) Designfaktoren: Architektur unseres Systems
• c) Skalierbarkeit: Skalierbarkeit
• e) Wartungskosten
• f) Fähigkeit zur Kontrolle
• g) Return-on-Investment-Potential

3. Identifizieren der tatsächlichen Anforderungen an Remote-Zugriff (Internet) auf Hardware

Beispiele und Aspekte der Fernzugriffsfunktionen:

• a) Fernbedienung und externer Monitor, Web-Services
• b) Integrierte Web-Server, OPC, SQL, SCADA
• c) Lokale Steuerung, Verwaltung, Visualisierung und HMI-Entwicklung
• d) Automatische Steuerung PLS und SPS
• f) Hardware-Feldkomponenten

4. Was ist DDE, OLE und OPC?

Dies sind Software-Schnittstellen, die den Austausch von Informationen zwischen unterschiedlichen Plattformen (Betriebssystemen) und Anwendungen vereinheitlichen:

• DDE: Dynamic Data Exchange, Austausch textbasierter Informationen.
• OLE: Object Linking and Embedding, objektbasiertes Verknüpfen und Einbetten von Informationen.
• OPC: OLE for Process Control, auf Prozesssteuerung orientierte Schnittstelle zur Informationsaustausch.

5. Nennen Sie Software, die Sie kennen und die mit DCS interagiert

Beispiele:

APV, I/A, Avantis, Eurotherm, Oberursel, SimSci-Esscor, Triconex, Wonderware.

6. Was ist eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und welche Funktion hat InTouch?

Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist das Gerät oder die Software, die einem Bediener (Mensch) Prozessdaten darstellt und über die er den Prozess steuert. HMI-Systeme werden oft als „Fenster in einen Prozess" betrachtet. In diesem Fenster können spezielle Geräte oder ein PC-Bediener angezeigt werden. HMI-Software dient zur Überwachung und Kontrolle. Prozesssignale werden über HMI-Geräte wie z. B. I/O-Karten am Computer, SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen), PACs (Programmable Automation Controller), RTUs (Remote Terminal Units) oder ADCs (analog/digital-Wandler) geführt. Alle diese Geräte sollten Nachrichten verstehen, die von der HMI verarbeitet werden.

7. Was ist ein SCADA-System und welche Vorteile bieten Überwachungs- und Kontrollsysteme?

SCADA steht für "Supervisory Control and Data Acquisition" (Datenerfassung und Aufsicht). Es ist eine Softwareanwendung, die auf Computern in Produktion und Qualitätskontrolle läuft und die Kommunikation zwischen Feldgeräten (autonome Controller etc.) und der automatischen Prozesssteuerung vom Computerbildschirm aus ermöglicht.

Vorteile:

• Bereitstellung aller erforderlichen Informationen für verschiedene Benutzer (Überwachung, Qualitätssicherung, Produktionskontrolle, Datenspeicherung etc.).
• Zentrale Überwachung und Analyse der Prozessdaten.

8. Was sind die drei Bestandteile eines SCADA-Systems?

• a) Mehrere Remote Terminal Units (RTUs, auch als Außenstellen bekannt).
• b) Master-Station und HMI-Computer.
• c) Kommunikationsinfrastruktur.

9. Was versteht man unter einer Remote Terminal Unit (RTU)?

Die RTU ist physisch an das System angeschlossen und liest Statusdaten wie offen/geschlossen (z. B. ein Ventil) oder misst Größen wie Druck, Durchfluss, Spannung oder Strom. Die RTU kann Steuerbefehle senden, z. B. öffnen, schließen, ein Ventil verstellen oder die Drehzahl einer Pumpe ändern (starten/stoppen).

10. Was bedeutet Master-Station in einem SCADA-System?

Der Begriff "Master-Station" bezieht sich auf Server und Software, die für die Kommunikation mit Feldtechnik (RTUs, Steuerungen etc.) verantwortlich sind. Auf Workstations in der Zentrale läuft die HMI-Software. In kleinen SCADA-Systemen kann die Master-Station auf einem einzelnen Computer laufen; in großen Systemen kann die Master-Station aus vielen Servern, verteilten Softwareanwendungen und Disaster-Recovery-Sites bestehen.

11. Was umfasst die Infrastruktur von SCADA-Systemen?

Historisch und aktuell kombiniert die SCADA-Kommunikation Funk, serielle oder Modem-Verbindungen sowie Ethernet und IP over SONET (Glasfaser). Diese Techniken werden oft in umfangreichen Installationen wie Eisenbahnen oder Kraftwerken verwendet. Zusätzlich können drahtlose Kommunikationsmethoden (z. B. für PDAs oder Mobiltelefone) zum Einsatz kommen, um Kabel zu vermeiden.

Für eine vollständige SCADA-Installation sollten folgende Ziele erreicht werden:

1. Offene Architektur (anpassbar an Unternehmensbedürfnisse).
2. Benutzerfreundliche Interaktion mit Anlagen und dem restlichen Netzwerk (LANs und Management).
3. Einfache Installation von Programmen ohne übermäßige Hardwareanforderungen; einfache Bedienung.

12. Was bedeutet ein Instrument-TAG und welche Bedeutung hat es?

Ein TAG ist die Beschreibung einer Prozessvariablen, z. B. Temperatur, Füllstand, Tonnage, pH, Leitfähigkeit usw. Es dient der eindeutigen Identifikation und Verwaltung von Messgrößen im Überwachungs- und Kontrollprozess.

13. Nennen Sie mindestens 2 kontinuierliche Prozesse

• a) Elektrizität
• b) Chemische Industrie
• c) Raffinerien

14. Nennen Sie mindestens 2 diskrete Prozesse

• a) Herstellung von Teilen
• b) Komponentenfertigung
• c) Elektronik

15. Nennen Sie mindestens 2 Batch- bzw. Chargenprozesse

• a) Lebensmittelindustrie
• b) Alkoholische Getränke
• c) Arzneimittel

16. Was sind die drei Arten industrieller Prozesse? Erklären Sie jede.

Die drei Arten sind: kontinuierliche Prozesse, diskrete Prozesse und Batch- (Chargen-) Prozesse.

Kontinuierliche Prozesse

Bei kontinuierlicher Steuerung gibt der Controller einen Ausgangswert zwischen Minimum und Maximum vor, um die Stellgröße zu regeln. Die Regelung ist darauf ausgelegt, einen kontinuierlichen Sollwert zu erreichen.

Diskrete Prozesse

Bei diskreter Steuerung gibt es in der Regel nur diskrete Zustände (z. B. geschlossen/offen, ein/aus). Die Steuerung wirkt als Alles-oder-Nichts-System. Zwei-Positions-Regelungen (Ein/Aus) sind einfach und kostengünstig und werden daher häufig in der Industrie eingesetzt, z. B. elektromagnetisch betriebene Ventile.

Diskontinuierliche oder Batch-Prozesse

Batch-Prozesse verwenden diskrete Stückzahlen verschiedener Komponenten, um einen Produktionsschritt abzuschließen. Diese Gruppe umfasst Operationen, die notwendig sind, um ein fertiges Produkt oder ein Zwischenprodukt für weitere Verarbeitungsschritte zu erzeugen.

17. Wie ist das Verhältnis zwischen diskreten und Batch-Prozessen?

Eine Charge (Batch) besteht häufig aus einzelnen, mit diskreten Prozessen erzeugten Teilen. Batch-Prozesse fassen also diskrete Einzelschritte zu einer Gesamtproduktionseinheit zusammen.

18. Welche Anwendungen sind mit dem Begriff industrielle Automatisierung verknüpft und warum?

Das Konzept der industriellen Automatisierung bezieht sich auf die Implementierung von Steuerungssystemen in diskontinuierlichen, diskreten sowie kontinuierlichen Prozessen, wie z. B. Regelungstechnik oder Servomechanismen, um wiederholbare und präzise Abläufe sicherzustellen.

19. Erklären Sie die Entwicklung neuer Technologien in der Feldinstrumentierung

Neue Technologien erweitern die Fähigkeit, Daten zu erkennen, Entscheidungen zu treffen und intelligentes Verhalten zu implementieren. Intelligente Systeme antizipieren Anforderungen und reagieren auf komplexe, unbekannte oder unvorhersehbare Umgebungsbedingungen, um präzise Produktionsvorgänge zu ermöglichen.

20. Was sind Merkmale der technologischen Entwicklung in der Feldinstrumentierung?

Wesentliche Merkmale sind die Einführung intelligenter, mikroprozessorbasierter Geräte, die lokale Knotenfunktionalität ermöglichen, sowie der Einsatz von Mesh-Netzwerken für den Informationsaustausch zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungselementen in der Anlage.

21. Erklären Sie das Prinzip der elektromagnetischen Durchflussmessung und nennen Sie Eigenschaften

Bei der elektromagnetischen Messung wird die durchströmende Flüssigkeit in einem Messrohr mittels Elektroden und einem Magnetfeld in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird in ein elektronisches Messergebnis für Anzeige, Aufzeichnung und Regelung konvertiert. Übliche Ausgangssignale sind 4–20 mA oder 1–10 VDC; in speziellen Anwendungen werden Impulssignale zur Aggregation verwendet.

Eigenschaften:

• Auswahl von Messrohr- und Elektrodenmaterialien nach Korrosions- und Abriebfestigkeit (z. B. Teflon, Hastelloy B/C, Monel).
• Hohe Genauigkeit (bis zu 0,15 %).
• Senderbefestigung vor Ort oder als Remote-Sensor.
• Montageoptionen: Flansch, Wafer etc.
• Kommunikationsoptionen: HART, Profibus, Feldbus usw.
• Praktisch unempfindlich gegenüber Schwankungen von Dichte, Viskosität, Temperatur und Druck innerhalb bestimmter Grenzen; abhängig von elektrischer Leitfähigkeit des Mediums.
• Das Ausgangssignal ist in der Regel linear.

22. Eigenschaften der Füllstandsmessung und Auswahlkriterien

Der Füllstand ist eine wichtige Prozessvariable, insbesondere bei der Lagerung von Rohstoffen und Halbzeugen. Für Prozesssteuerungszwecke ist in vielen Fällen keine extreme Genauigkeit erforderlich, außer bei Dosier- und Abfüllanwendungen. Bei der Auswahl der Messmethode werden bevorzugt technische Lösungen gewählt, die statisch und robust gegen Störeinflüsse sind und nach Möglichkeit keinen direkten Kontakt mit dem Medium erfordern. Es gibt eine breite Palette an Füllstandmesstechniken; die passende Methode hängt von den spezifischen Anforderungen und der Installation ab.

23. Prinzip der Ultraschall-Füllstandsmessung und Eigenschaften

Ultraschallmessung basiert auf Laufzeitmessung: Ein akustischer Impuls wird ausgesendet und die Zeit bis zum Eintreffen des reflektierten Echos gemessen. Aus der Laufzeit wird der Füllstand berechnet. Ultraschallsensoren arbeiten oberhalb von 20 kHz und interpretieren die Laufzeit der reflektierten Impulse.

24. Verfahren zur Temperaturmessung in der Industrie und gebräuchliche Instrumente

Temperaturmessungen nutzen verschiedene physikalische Effekte:

• Volumen- oder Zustandänderungen von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen (z. B. Flüssigkeitsglasthermometer, Bimetallthermometer).
• Widerstandsänderungen von Leitern (Widerstandsthermometer, RTDs).
• Widerstandsänderungen von Halbleitern (Thermistoren).
• Thermoelemente: an der Kreuzung zweier unterschiedlicher Metalle entsteht eine thermoelektrische Spannung (EMK).
• Strahlungs-Pyrometer für berührungslose Messung.

Instrumente: Glasthermometer, Bimetallthermometer, Kapillarthermometer (Birne + Kapillare), Thermoelemente, Strahlungspyrometer, Widerstandsthermometer, Ultraschallthermometer etc.

25. Erläuterung des NorTech-Systems zur Temperaturmessung in Transformatoren

Das NorTech-System ist ein leistungsfähiges Diagnosetool für die Elektroindustrie: Es sammelt und protokolliert Daten. Das System misst Temperaturen im Inneren von Transformatoren und löst einen programmierten Alarm aus, wenn vorgegebene Werte für eine bestimmte Zeit überschritten werden. Durch Analyse von Daten und Grafiken kann die Belastung optimiert und die Lebensdauer des Transformators maximiert werden, während zugleich die Instandhaltung optimiert wird.

26. Wie erfolgt die Kommunikation in einem PLS-System?

Zur Vernetzung verschiedener Prozessoren für unterschiedliche Aufgaben dient eine Kommunikationsschnittstelle, die Eingangssignale (Prozessvariablen) unterscheidet, kanalisierte Kommunikation zwischen Prozessoren ermöglicht und Informationen für die Bedienoberfläche bereitstellt.

27. Was versteht man unter der Architektur eines Kontrollsystems?

Architekturen für Steuerungssysteme variieren in Größe, physikalischer Struktur und Konfiguration. Das System muss vielseitig genug sein, um verschiedene Signaltypen aus Fertigungsprozessen zu verarbeiten (analog oder digital). Eingangssignale (Prozessvariablen) werden häufig als elektrische Signale definiert, z. B. 4–20 mA.

28. Was ist INFI-90?

Das INFI-90-System bietet ausgefeilte Schnittstellen für den Datenaustausch. Es wird häufig über ein großes Ring- oder Netzwerksystem namens INFI-NET (Superloop) betrieben, das ein unidirektionales redundantes Netzwerk darstellt. INFI-90 erleichtert die Integration der Prozesssteuerung mit Unternehmensmanagementdaten, ermöglicht fortgeschrittene Management-Techniken und unterstützt die Entscheidungsfindung zur Prozessoptimierung.

29. Erläuterung der INFI-NET (Superloop)

Die INFI-NET (Superloop) ist ein unidirektionales, redundantes Netzwerk, das die Kommunikation (Datenübertragung) zwischen den angeschlossenen Knoten ermöglicht, z. B. Engineering-Stationen (EWS), Prozesssteuerungen (PCU), Konsolen usw. Die Anzahl der Knoten in einem INFI-NET darf 250 nicht überschreiten, und die Übertragungsgeschwindigkeit liegt bei 10 Mbaud.

30. Was ist der Control-Bus?

Der Control-Bus ist der Kommunikationsweg, über den die Datenübertragung zwischen den Modulen einer INFI-90-Steuerung erfolgt. Über den Control-Bus ist die Übertragung komplexerer Steuerungslogik und anderer Programmiersprachen möglich.

31. Was ist ein Bus-Expander?

Module auf dieser Ebene sind als Slave-Module verbunden und kommunizieren mit höheren Ebenen über einen parallelen Bus. Ein solcher Bus unterstützt den Anschluss von bis zu 64 Modulen, wobei jedes Modul ein intelligentes Slave-Modul darstellt. Die Kommunikationsgeschwindigkeit beträgt etwa 500 kHz.

32. Was bedeutet Redundanz in einem DCS-System?

Redundanz bedeutet, dass zwei CPUs parallel arbeiten können: eine CPU fungiert als Primär-Controller (Master) und die andere als Sekundär-Controller (Slave). Bei einem Fehler der Primär-CPU übernimmt die Sekundär-CPU die Kontrolle.