Web-basierte Lösungen finden in zunehmendem Maße in der Industrieautomation Anwendung. Scada (Supervisory Control And Data Acquisition) beschreibt eine zentrale Komponente, die für die Überwachung, Steuerung und Datenerfassung zuständig ist. Im Folgenden wird ein Web-basiertes Scada-System als eine zentrale Server-basierte Lösung definiert, die flexibel um Schnittstellen zum Datenexport, Datenaggregation und -verarbeitung ergänzt werden kann und welche im Kern ein umfangreiches Rechte- und Datenzugriffsmanagement unterstützt. Neben der Datenkomponente sind auch Steuerungsabläufe und Konfigurationen möglich, die nicht mehr auf der Prozesssteuerung direkt, sondern über das Web-basierte Scada-System abgebildet werden. Dieses ist über das Internet mit den Steuerungen verbunden und kann somit auch als gehosteter Service verwendet werden. Web-SPS ist eine SPS, die neben dem heute bereits üblichen Web-Server für die Visualisierung von Prozessparametern zusätzlich über eine transparente Webservice-Schnittstelle zu einem Web-basierten Scada-System verfügt. Der Artikel beschreibt die notwendigen Anpassungen anhand einer SPS und einem Scada-Server, um die Vorteile einer Web-SPS und eines Web-basierten Scada-Systems nutzbar zu machen. Ein solches Komplettsystem ist besonders für alle Bereiche geeignet, in denen man mehr oder weniger unabhängige, parallel ablaufende Prozesse abbilden, überwachen und steuern möchte. In der Automatisierungstechnik hat sich die Entwicklungsumgebung CoDeSys zu einem festen Standard etabliert, den über 200 Steuerungshersteller unterstützen. CoDeSys stützt sich dabei auf das zur jeweiligen Steuerung gehörende Target Support Package (TSP; Zielplattform), das die Eigenschaften und Funktionen der Hardware und darunter liegender Schichten, wie der Laufzeitumgebung, im CoDeSys integriert. Für eine einfache Migration und die Möglichkeit, eine Web-basierte Steuerungsanwendung völlig transparent in CoDeSys umsetzen zu können, muss ein Plug-In in das TSP gekapselt werden. Dieses Plug-In stellt eine Bibliothek zur Verfügung, die im Laufzeitsystem (RTS; Run Time System) der Steuerung einen Scada-Webservice, also den Verbindungsaufbau, die Verschlüsselung, die Authentifizierung und das Handling der verschieden Datenformate und Nachrichten, automatisch installiert. Der Steuerungsprogrammierer kann somit im gewohnten Workflow seine Anwendung umsetzen. Die Variablen, die am Web-basierten Scada-System zur Verfügung stehen sollen, deklariert er lediglich global in der Variablenliste „Zonos“. Der „auvis Variable Mapper“ in der CoDeSys-Anwendung sorgt für die Bereitstellung dieser Variablen am Web-Service-Plug-In. Neben der klassischen Abfrage von Variablen über die Leitstelle bzw. das Scada-System ist auch eine periodische Übermittlung oder die Übermittlung ausgelöst durch Alarme oder spezielle Fehlerfälle möglich. Die klassische Variante sich auf der SPS einzuloggen, bleibt parallel weiterhin bestehen.
Der Weg zum Web-basierten Scada-System
Leitstellenkonzepte werden in zunehmendem Maße über Web-basierte Lösungen abgebildet. In herkömmlichen Lösungen wird Virtual Private Network (VPN) genutzt, um eine Verbindung zwischen Server und Prozess herzustellen. Auf dem Scada-Server kommt ein steuerungsspezifischer CoDeSys-Gateway-Server zum Einsatz, der nicht flexibel anpassbar ist und nur dedizierte Steuerungen unterstützt. Um diese Variante in ein modernes Web-basiertes Scada-System einzubinden, muss serverseitig eine spezielle Logik-Schicht zur Anbindung an das nachgeschaltete Scada-Kernsystem und die Scada-Oberfläche zwischengeschaltet werden. Das Handling von steuerungsbezogenen Konfigurations- bzw. Symboldateien muss direkt im Gateway-Server erfolgen. Dies stellt einen Bruch dar, wenn Daten ausgetauscht und konfiguriert werden müssen. Funktionalitäten wie Rechtemanagement, Konzepte für Aggregation, Alarme und Monitoring lassen sich nur mit sehr erheblichem Aufwand über den Gateway-Server hinweg abbilden und die Lösung ist nicht auf andere Anwendungsfälle bzw. Einsatzszenarien übertragbar. Vorteil dieser Lösungsumsetzung ist, dass sie sich „Onboard-Mittel“, also bereits vom Hersteller integrierte Services der Steuerung, zunutze macht. Ein neuer Ansatz, der die notwendige Flexibilität und Transparenz im Management ermöglicht, erfordert die Erweiterungen des Laufzeitsystems. Der Server hat hierbei eine direkte Verbindung zu den Steuerungen über TCP/IP mit Unterstützung für Verschlüsselung und Authentifizierung. Ein offener Web-Service dient als Datenschnittstelle und leitet die Daten bis zum Zonos Device Mapper weiter, der dem Web-basierten Scada-System hinzugefügt wurde. Er übernimmt die SPS-spezifische Datenerfassung und bildet Zugriffs- und Konfigurationskonzepte auf den angeschlossenen Steuerungen ab. Durch den einfachen Import von Symboldateien, wie es beispielsweise bei intelligenten Displays üblich ist, werden dem Web-basierten Scada-System die Steuerungskonfigurationen bekannt gemacht. Am Scada-Server können sich nun beliebig viele Steuerungen vollständig automatisiert registrieren. Dies erfolgt über eine eindeutige Kennung, sobald die Steuerung Zugang zum Internet erlangt. Durch die vollständige Transparenz zwischen der Steuerung und dem Web-basierten Scada-System ist diese Variante mithilfe des auvis Variable Mapper auf der Steuerung und dem Zonos Device Mapper auf dem Server beliebig erweiterbar und flexibel einsetzbar.
Web-basiertes Scada-System im Einsatz
Das Web-basierte Scada-System findet in einer großen Seilerei Anwendung. Diese ist in drei Standorte mit jeweils bis zu sechs Produktionshallen und zahlreichen Litze- und Seilschlagmaschinen untergliedert. Der Maschinenpark ist sehr heterogen. Es sind sowohl moderne, komplett automatisierte als auch ältere, rein manuell gesteuerte Maschinen in Betrieb. Auch die vorhandene IT-Vernetzungsstruktur ist in den einzelnen Produktionshallen sehr verschieden. Nur einige Hallen verfügen über eine gut strukturierte Ethernet-Verkabelung. An den Standorten mit schlechter Ethernet-Infrastruktur ist allerdings die Nutzung von WLAN möglich, da es bereits für die mobile Telefonie eingesetzt wird. Im Rahmen der Einführung eines ERP-Systems (Enterprice Ressource Planning) sollten Maschinen- und Betriebsdaten automatisch über alle Maschinenvarianten und Standorte hinweg zentral erfasst werden. Die Heterogenität des Maschinenparks mit vollautomatischen und manuell gesteuerten Fertigungsabläufen forderte den Einsatz der oben beschriebenen Web-SPSen. Durch die Unterstützung von SSL-fähigem Ethernet und optionaler Erweiterbarkeit durch ein WLAN-Modul können die Web-SPSen bei allen bestehenden Ethernet-Infrastrukturen ohne zusätzlichen Installationsaufwand verwendet werden. Bei manuell gesteuerten Maschinen mussten sowohl Sensorik als auch Aktorik eingeführt werden. Durch Lichtschranken, Initiatoren und Positionsgeber können relevante Daten aufgenommen werden. Die Steuerungsanwendung nimmt über Prozess-E/A den Maschinenstatus, Fertigungsgeschwindigkeit und andere Fertigungsdaten auf. Über Aktoren werden Produktionsparameter variiert. Der in die Web-SPS integrierte Web-Service-Connector überträgt die entsprechenden Daten an den Scada-Server. Bei den vollautomatischen Maschinen wird die Web-SPS als intelligenter Netzwerkkoppler eingesetzt und ermöglicht somit eine einheitliche Schnittstelle zum Web-basierten Scada-Server. Die Steuerungs- bzw. Koppelfunktion wurde in der für den Anlagentechniker gewohnten CoDeSys-Umgebung implementiert. Nach der Installation der Web-SPSen an den Maschinen verbinden sich die Steuerungen über das Internet mit dem Web-basierten Scada-Server. In der Scada-Oberfläche werden die angemeldeten Steuerungen graphisch dargestellt. Die entsprechenden Symboldateien wurden über die graphische Nutzeroberfläche auf den Scada-Server geladen und den entsprechenden Steuerungen zugeordnet, um die Parameterkonfiguration am Server bekannt zu machen. Über das Rollen- und Rechtemanagement des Web-basierten Scada-Systems kann nun sowohl standortbezogen als auch Standort übergreifend auf Daten zugegriffen und Funktionen genutzt werden. Aus den zur Verfügung stehenden Daten können aktuelle Werte, Zeitreihen und komplexe Statistiken in der Scada-Oberfläche angezeigt werden. Neben den reinen Maschinen- und Betriebsdaten werden auch Metadaten verwaltet. So sind unter anderem Wartungsintervalle, Kontaktdaten des Servicetechnikers und der aktuelle Bediener hinterlegt. Zur Überwachung können Maschinen und Steuerungen auf Hallenplänen lokalisiert werden. In der Scada-Oberfläche wurden für bestimmte Parameterkonstellationen Alarme definiert. Diese Alarme beziehen sich sowohl auf einzelne Maschinen als auch auf Maschinengruppen. So wird vom Server ein Alarm ausgelöst, wenn das Wartungsintervall kurz vor dem Ablauf ist. Bei einem Stillstand der Maschine, die nicht als Rüstzeit markiert ist, wird nach fünf Minuten eine SMS an den entsprechenden Hallenmeister geschickt. Nach weiteren fünf Minuten wird ein Alarm vom Scada-Server an das ERP-System gesendet. Die zentral konfigurierten und verwalteten Alarme reduzieren die Komplexität der einzelnen Steuerungen. Lediglich die sicherheitskritischen Alarme wurden direkt auf der Steuerung an der Maschine implementiert. Durch den zentralen Ansatz sind Änderungen im Alarmmanagement schneller und einfacher möglich. Die Konfiguration erfolgt per Mausklick. Über einen XML-basierten Web-Service werden die Daten über das verschlüsselte Netzwerk ausgetauscht. Dies ermöglicht durch Zwischenschalten eines Export-Plug-Ins auch die Bereitstellung in fast jedem beliebigen Datenformat. Somit ließ sich das Web-basierte Scada-System problemlos per Web-Service auch an das ERP-System koppeln. Die Integration moderner Kommunikationskonzepte in den gewohnten Programmier-Workflow reduziert den Installationsaufwand für Scada erheblich. Die transparenten und flexiblen Schnittstellen vereinfachen zudem die Anbindung heterogen ausgestatteter Produktionsanlagen. Zudem eignet sich die beschriebene und eingesetzte Lösung auch für große Infrastrukturnetze mit gleichartigen Steuerungs- und Überwachungsaufgaben, wie Pumpstationen, Klimamessstationen, Windparks oder Filialnetzen in der Lebensmittelindustrie.
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