Einführung in die SCADA-Architektur

Ein SCADA (Überwachungs- und Datenerfassungssystem) bildet das Rückgrat der industriellen Automatisierung und Fernüberwachung. Es verbindet Geräte auf Feldebene mit zentralen Steuerungssystemen und liefert Echtzeitdaten, Betriebsübersicht und Prozesssteuerung über weitläufige Industrieanlagen.
Moderne SCADA-Systeme vereinen Hardware, Kommunikationsinfrastruktur und Software, um Feldvorgänge effizient zu verwalten – von lokalen Sensoren bis hin zu unternehmensweiten Entscheidungsplattformen.

Zentrale Leitstation oder Master Terminal Unit (MTU)

Im Zentrum jedes SCADA-Systems steht die Master Terminal Unit (MTU), auch bekannt als Leitstation oder zentrale Leitstelle. Sie dient als Hauptverarbeitungs- und Steuerungsstelle.
Die MTU sammelt Daten von Fernwirkstellen (RTUs) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), verarbeitet diese und stellt sie über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) dar. Bediener nutzen diese Schnittstelle zur Überwachung, Steuerung und Optimierung der Feldvorgänge.
Fortschrittliche MTUs sind mit redundanten Servern, Datenarchiven und IT-Sicherheits-Firewalls ausgestattet, um unterbrechungsfreie Steuerung und sichere Datenintegrität zu gewährleisten.
Autoreneinblick: In modernen Architekturen sind MTUs oft mit MES- und ERP-Software verbunden, wodurch eine nahtlose Verbindung zwischen Betriebs- und Geschäftsebene entsteht.

Fernwirkstellen (RTUs): Schnittstellen für Felddaten

RTUs fungieren als Kommunikationsbrücke zwischen Feldgeräten und der SCADA-Leitstation. Diese kompakten, robusten Einheiten erfassen Echtzeitdaten von Sensoren und übertragen sie über sichere Netzwerke an die MTU.
RTUs empfangen auch Befehle von der Leitstation, um Feldaktuatoren wie Pumpen, Ventile oder Leistungsschalter zu steuern.
Viele RTUs verwenden heute die Protokolle Modbus RTU, DNP3 oder IEC 60870-5-104, die Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern sicherstellen.
Autorenkommentar: Beim Entwurf von Feldnetzwerken sollten Ingenieure redundante Stromversorgungen und Fernwartung in RTUs priorisieren, um Ausfallzeiten und Wartungskosten zu verringern.

Sensoren und Aktuatoren: Intelligenz auf Feldebene

Auf der untersten Ebene der SCADA-Hierarchie befinden sich Sensoren und Aktuatoren, die direkt mit physischen Prozessen interagieren.

• Sensoren messen Größen wie Druck, Durchfluss, Temperatur und Spannung.

• Aktuatoren führen Aktionen aus, wie das Öffnen von Ventilen oder das Schalten von Relais, basierend auf Steuerbefehlen.
  Sensoren können analog (kontinuierliche Messwerte) oder digital (Ein-/Aus-Zustand) sein. Ihre Signale werden an RTUs oder SPS zur Verarbeitung und Weiterleitung gesendet.
  Branchenbeispiel: In einer Wasseraufbereitungsanlage überwachen Sensoren den Füllstand der Behälter, während Aktuatoren Pumpen und Dosieranlagen steuern – alles über die SCADA-Schnittstelle.

Kommunikationsnetz: Das Datenrückgrat

Effiziente Kommunikationsverbindungen bilden das Rückgrat von SCADA. Das Netzwerk verbindet RTUs, MTUs und Leitstellen und ermöglicht nahtlosen Datenaustausch und Befehlsausführung.
Historisch nutzte SCADA Funk- oder serielle Kommunikation. Moderne Systeme verwenden jedoch Lichtwellenleiter, Ethernet, Mobilfunknetze und sogar Satellitenverbindungen für Fernkommunikation.
Netzwerkzuverlässigkeit und Sicherheit sind besonders in kritischen Infrastrukturbereichen wie der Energieerzeugung und der Öl- und Gasindustrie von großer Bedeutung.
Expertenhinweis: Abgeschottete LAN-/WAN-Netzwerke, VPN-Verschlüsselung und Netzwerksegmentierung sind gängige Maßnahmen zum Schutz von SCADA-Systemen vor Cyberangriffen.

SCADA-Software: Die Steuerungs- und Darstellungsebene

Die Softwareebene bietet Datenvisualisierung, Alarmverwaltung, historische Auswertung und Werkzeuge zur Systemkonfiguration.
SCADA-Software umfasst Module für Datenerfassung, Echtzeitsteuerung, historische Trendanalyse und Berichtserstellung.
Über intuitive HMI-Dashboards können Bediener Prozesszustände überwachen, Alarme bestätigen und Steuerbefehle erteilen.
Moderne SCADA-Software integriert sich mit Cloud-Analysen und unterstützt webbasierte HMI, die Fernzugriff über sichere Browser ermöglichen.
Führende SCADA-Plattformen wie Ignition, Wonderware und SIMATIC WinCC bieten modulare Erweiterbarkeit und plattformübergreifende Kompatibilität.

Unterstützende Komponenten und Steuerungsinfrastruktur

Ein voll funktionsfähiges SCADA-System stützt sich auch auf mehrere unterstützende Komponenten:

• Stromversorgungen und USV-Anlagen gewährleisten den zuverlässigen Betrieb bei Stromausfällen.

• Datenarchive speichern Prozessdaten für Nachweise und Auswertungen.

• Server und Arbeitsstationen beherbergen die SCADA-Anwendungen.

• Gateways und Protokollwandler ermöglichen die Integration verschiedener Systeme.
  Diese unterstützenden Elemente sorgen dafür, dass SCADA als einheitliche, redundante und ausfallsichere Steuerungslösung funktioniert.

Integration und bewährte Branchenpraktiken

Für eine wirksame Umsetzung müssen SCADA-Komponenten gut integriert und miteinander kompatibel sein. Der Trend zu offenen Systemen erleichtert Aufrüstungen und Herstellerwechsel.
Zudem sind moderne SCADA-Systeme zunehmend mit industriellen Internet der Dinge (IIoT)-Strukturen verbunden, was vorausschauende Analysen, Energieoptimierung und Anlagenverwaltung ermöglicht.
Autorensicht: Erfolgreiches SCADA-Design setzt auf Einfacheit, Erweiterbarkeit und Sicherheit. Überdimensionierung führt zu Wartungsproblemen, während modulare Gestaltung Langlebigkeit und Anpassungsfähigkeit an neue Technologien sichert.

Anwendungsszenario: Energieverteilungsnetz

In einem Stromverteilungsnetz arbeiten SCADA-Komponenten als einheitliches System zusammen. Sensoren überwachen die Leiterspannung, RTUs senden Daten an die Leitstation, und Kommunikationsnetze sorgen für Echtzeitaktualisierungen. Der Bediener kann mit SCADA-Software Fehler isolieren, Strom umleiten und Lasten zwischen Umspannwerken ausgleichen – alles ohne vor Ort sein zu müssen.
Dies zeigt, wie jede SCADA-Komponente eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung von Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit in großflächigen Industrieanlagen spielt.