監視制御およびデータ収集 (SCADA) とは何ですか?

監視制御およびデータ収集 (SCADA) は、人間の介入なしに高レベルの産業プロセスを制御および管理する包括的なハードウェアおよびソフトウェアソリューションです。リアルタイムのデータをリモートで収集して処理し、状態や機器を制御することで機能します。企業はまた、SCADA を活用して産業プロセスに関するデータ主導の意思決定を行っています。

SCADA アーキテクチャは、リモートターミナルユニット (RTU) またはプログラマブルロジックコントローラー (PLC) から始まります。 RTU および PLC は、工場の機械、ヒューマンマシンインターフェイス、エンドデバイス、センサーなどの産業用コンポーネントと通信できるマイクロコンピューターです。これらのコンポーネントからのデータは、SCADA ソフトウェアを使用してコンピュータに送信され、処理、配布、および運用チームへの表示が行われます。

最新のプレーヤーは、SCADA を活用して産業プロセスをリモートまたはローカルで制御し、データをリアルタイムで収集、監視、処理します。また、SCADA を使用すると、産業オペレーターは、ヒューマンマシンインターフェイス (HMI) ソフトウェアを使用して、バルブ、センサー、モーター、ポンプ、その他のコンポーネントなどのデバイスを直接制御および管理できます。さらに、SCADA はすべてのデータが体系的に記録されるため、便利な記録管理ソリューションです。

これに加えて、SCADA ソリューションを使用すると、業界組織はデータを使用してよりインテリジェントな意思決定を行うことができ、効率が向上し、システムの問題を時間どおりに伝達してダウンタイムのリスクを最小限に抑えることができます。たとえば、製品バッチのエラー発生率が高い場合、SCADA は関連する運用チームに迅速に通知します。

その後、運用チームは生産を一時停止し、SCADA によって HMI 上で収集されたシステムデータを検査できるようになります。これは、オペレーターがエラーの根本原因を特定して対処し、不良バッチのサイズが大きくなるのを防ぐのに役立ちます。

20 世紀半ばまで、業界組織は現場担当者に手動で機器の制御と監視を頼っていました。しかし、これらの設備の稼働規模が拡大するにつれて、機器を遠隔から制御するためのソリューションを考案する必要が出てきました。この必要性により、タイマーとリレーによる監視制御が導入されました。

「SCADA」という用語は 1970 年代初頭に考案されました。同時期に、マイクロプロセッサと PLC の商用アプリケーションが増加し、企業は自動化プロセスの制御と監視にそれらを使用することが増えてきました。

SCADA の進化はメインフレームコンピューターから始まりました。その後、SCADA を駆動するために分散システムが使用されました。ただし、相互接続されている間は、他のベンダーのシステムと通信できませんでした。

次に導入されたのは、オープンシステムアーキテクチャを特徴とするネットワーク化された SCADA で、異なるベンダーのシステム間の通信を可能にしました。しかし、データ処理には依然として独自のテクノロジーが使用されており、管理と IT の間にギャップが生じていました。

最後に、最新の Web ベースの SCADA システムにより、ユーザーは世界中のどこからでもリアルタイムの運用データにアクセスできるようになりました。これらのソリューションは、これまでの反復の欠点に対処し、迅速なデータ主導の意思決定を可能にしました。これらにより、産業プロセスの効率、生産性、信頼性、セキュリティが大幅に向上しました。

SCADA システムは、単純なインストールから大規模で複雑な構成まで対応できるため、さまざまなタイプの企業で人気があります。 SCADA は、エネルギーと電力、製造、食品と飲料、石油とガス、水道と廃水、輸送などの多くの現代産業において重要です。

事実上、工業化された組織や業務集約型の組織は、物事をスムーズに進めるために何らかの SCADA ソリューションに依存しています。これは、レストランチェーンの冷凍設備を維持したり、製油所でのシームレスかつ安全な生産を保証したり、住宅所有者のエネルギー使用量を追跡したりするソリューションになる可能性があります。

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SCADA システムの種類について詳しく学ぶ前に、SCADA システムアーキテクチャについて理解しましょう。

一般に、SCADA ソリューションは集中型アーキテクチャで導入され、広域の監視と制御を可能にします。「コア SCADA」は、ハードウェアの上に位置するソフトウェアパッケージであり、監視システムとして機能します。

リモート端末装置は、データを収集してマスターシステムに送信したり、マスターシステムから受信した指示に従って機械を制御したりするために使用されます。さらに、PLC は特定の運用要件を満たすようにカスタマイズできます。

たとえば、SCADA は工業設備における水の流れの調整に役立ちます。オペレーターは、設定流量点を変更し、高温または流量喪失の場合にアラームがトリガーされる条件を設定できます。パイプライン内に過度の圧力が蓄積された場合、SCADA は自動的にリリースバルブを開き始めることもあります。最後に、操作の状態が継続的に表示および記録されます。 SCADA は、あらゆるプロセスループのエンドツーエンドのパフォーマンス監視を提供します。

SCADA ハードウェアシステムは通常、クライアント層とデータサーバー層の 2 つの層に分類できます。前者はマンマシンの対話を可能にし、後者はデータプロセスを推進します。

RTU または PLC により、SCADA セットアップ内のデバイスとデータサーバー間の通信が可能になります。 PLC はデータサーバーに直接接続することも、ネットワークやバスを使用してリンクすることもできます。親局と各種機器はLANまたはWANを利用して通信します。

最後に、センサーは RTU または PLC に依存して信号をデジタルデータに変換します。次に、マスターユニットはこのデータを受信し、適切なフィードバックを RTU に送り返します。RTU はそれに応じて電気信号をデバイスに適用します。

マルチタスクやリアルタイムデータベース管理などの SCADA プロセスはサーバーレベルで処理されます。さらに、SCADA システムは通常、プロセスデータ (傾向) をグラフィック表示するソフトウェアで構成されます。診断情報。計画的なメンテナンス、物流、特定のデバイスの詳細な回路図、トラブルシューティングなどのデータ管理。

これらの機能により、担当者は操作の概略図をリアルタイムで表示できます。 SCADA ソフトウェアプロセスの例には、アラームチェック、ロギング、アーカイブ、計算などがあります。

SCADA のアーキテクチャの概要を理解したところで、さまざまな SCADA システムタイプを理解しましょう。

初期の SCADA システムは、処理のために大型のミニコンピューターに依存していました。当時は標準のネットワークサービスが存在せず、SCADA ソリューションは一般にネットワーク相互接続のない独立したシステムであることを意味していました。

通信プロトコルは厳密に独自のものでした。すべての RTU サイトに接続されたバックアップメインフレームシステムは、システムの冗長性を確保するために推奨されるセットアップでした。このセットアップは、プライマリメインフレームシステムに障害が発生した場合にアクティブになります。

このタイプの SCADA では、情報とコマンドの処理が分散化されます。配信は LAN を使用して接続されたステーション間で行われ、データ共有はほぼリアルタイムで行われます。

タスクごとに専用のステーションが割り当てられるため、モノリシック SCADA と比較してコスト削減に役立ちます。ネットワークプロトコルは依然として独自仕様であるため、SCADA インストールのセキュリティを判断するのは簡単ではありません。ただし、この SCADA タイプが普及していた頃は、システムセキュリティは一般的に無視されていました。

ネットワーク化された SCADA は、複雑な SCADA システムが最も基本的なコンポーネントに削減され、オープンな通信プロトコルを使用してリンクされることで、分散アーキテクチャよりも一歩進んでいます。

ネットワーク設計では、SCADA システムを複数のローカルエリアネットワークに分散できます。これはプロセス制御ネットワーク (PCN) として知られており、通常は地理的に広い範囲に広がります。ネットワーク化された SCADA は、単に 1 人のヒストリアンとスーパーバイザーが配置され、複数の分散型 SCADA が並行して動作するセットアップである可能性があります。このようなセットアップは、特に大規模システムの場合、コスト効率が高くなります。

最後に、Web ベースの SCADA システムにより、ユーザーは Web SOCKET 接続を使用して場所に依存しない方法でデータを表示および交換し、プロセスを制御できます。 Web SCADA システムは通常、グラフィカルユーザーインターフェイス (GUI) としてインターネットブラウザを使用します。このタイプの SCADA は、クライアント側の展開が簡素化されていることで知られています。ユーザーは、サーバー、パソコン、スマートフォンなど、ほとんどのプラットフォームからシステムにアクセスできます。

SCADA システムのタイプがわかったので、これらのタイプに含まれるコンポーネントを理解しましょう。

SCADAのコンポーネント

監視コントローラはマスター端末装置 (MTU) とも呼ばれ、中央通信サーバーの役割を果たします。これはコントロールセンターに配置され、マンマシンインターフェイスと RTU、センサー、PLC、およびその他のデバイス間の情報交換を管理します。

小規模な SCADA 構成では、1 台のパーソナルコンピュータが監視コントローラとして十分に機能します。ただし、大規模な SCADA 展開のマスター端末ユニットには、通常、多数のサーバー、分散ソフトウェアアプリケーション、災害復旧対策が含まれています。このようなシステムでは、システム障害が発生した場合でも重要な産業プロセスが影響を受けないようにホットスタンバイ措置を使用する場合があります。

リモートターミナルユニット (RTU)、またはリモートテレメトリユニットは、リモートテレメトリおよびプロセス制御に使用される電子デバイスです。これらのマイクロプロセッサベースのデバイスは、リモートサイトにある送信機、センサー、モニター、その他のデバイスとリンクされています。

RTU はデータを収集してコントロールセンターに送信し、そこでデータが監視および処理されます。 RTU と中央ステーション間のデータ送信は、通常、RS232 などのシリアルポートを使用するときに行われます。

プログラマブルロジックコントローラー (PLC) は、RTU を置き換えることでシステム機器とプロセスを制御できるソリッドステート電子デバイスです。センサーにリンクされ、その出力をデジタル信号に変換します。

PLC は、RTU よりも設計がシンプルで、設置プロセスが簡単であることが特徴です。 PLC は信頼性が高く、経済的でもあります。さらに、RTU よりもコンパクトで、占有スペースが小さくなります。最後に、エラーが発生した場合のトラブルシューティングは簡単かつ迅速です。

ヒューマンマシンインターフェイス (HMI) は、通常、人間のオペレーターによる監視と制御のために、SCADA システムのグラフィック表現として情報を表示します。従業員は HMI を使用して、PLC や RTU などの制御ユニットにアクセスします。

HMI は、シンプルで直観的になるように設計されるのが理想的です。たとえば、水タンクに接続されたポンプのグラフィック表現が HMI 上に表示され、人間のユーザーはリアルタイムの水の流れとその圧力を確認できます。

アラームシステムは HMI システムにとって重要であり、事前定義された値に基づいてトリガーできます。水槽の例では、人間のオペレーターが水位アラームを 80% と 90% に設定できます。水位が 80% を超えると、アラームが標準の警告を発します。水位が 90% を超えると重大アラームが作動し、放出バルブが自動的に開きます。

インテリジェント電子デバイスには、マイクロプロセッサベースのコントローラー、レギュレーター、リレーが含まれます。これらのデバイスは、SCADA システム内の他のデバイスとシリアル通信できます。

インテリジェント電子デバイスは、外部デバイスとの間でデータを送受信し、外部デバイスを制御したり、外部デバイスによって制御されたりすることができます。外部デバイスには、トランスデューサ、リレー、制御ユニット、および同様のデバイスが含まれます。

ネットワーク管理サーバー (NMS) は、SCADA システムのネットワークハードウェアとソフトウェアを監視します。ネットワーク管理者と NMS は、個々のネットワークコンポーネントを管理する責任があります。

NMS はリモートコンポーネントからのデータを記録し、システム管理者に報告します。 NMS によって実行される機能には、デバイスの監視、パフォーマンス分析、デバイスの検出と管理、アラートと通知の分析が含まれます。

SCADA システムは、データ転送に無線、直接有線、インターネット接続を組み合わせて利用します。発電所や鉄道などの大規模導入の場合は、ONET または SDH も使用される場合があります。

HMI と MTU はプログラミングを使用してマップと図を生成し、通常の操作とイベント障害に関する重要な情報を提供します。商用 SCADA システムは通常、C プログラミングまたは派生プログラミング言語を使用します。

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SCADA システムは、現代のほとんどの産業セットアップに不可欠な部分です。ただし、それらは完璧ではありません。したがって、SCADA の長所と短所をさらに理解することが重要です。

SCADAの長所と短所

まずは、SCADA ソリューションの長所から見ていきましょう。

SCADA システムは、すべての重要なデバイスとプロセスのステータスに関するリアルタイム情報を提供することで、産業運営の安全性と合理化を維持します。 SCADA のおかげで、オペレーターは潜在的な問題を迅速に特定して対処できるため、堅牢なビジネス継続性が確保されます。

SCADA は、運用担当者がすべての重要なデバイスとプロセスを 1 か所から制御および監視できる集中インターフェイスを提供します。運用チームは、統合システムのあらゆる部分を迅速かつ効率的に調整できます。

SCADA システムは、設計上、信頼性が高く効率的です。 SCADA は、産業運営の信頼性を確保するために不可欠な重要なプロセスの継続的運用を推進します。 SCADA システムは、コンポーネントの障害やその他のシステムエラーが発生した場合でも動作を継続できます。

さらに、SCADA は、大規模な運用の監視と制御の一部であるいくつかの重要なタスクを自動化します。 SCADA は人間の介入への依存を排除し、人的エラーの可能性を排除することで効率を高め、プロセスの速度と精度を向上させます。

最後に、SCADA システムにはリモートアクセス機能のサポートが付属しています。運用担当者は SCADA を使用して、信頼性の高いインターネット接続を備えた安全なデバイスから産業プロセスを制御および監視できます。これは、手の届きにくい機器やリスクの高い機器の管理と監視に特に役立ちます。

SCADA システムには多くの重要な長所があります。ただし、いくつかの注目すべき欠点もあります。

SCADA ソリューションを導入する企業がすぐに考慮すべき点は、そのコストの高さです。 SCADA の導入には、通常、数ユニットの特殊なハードウェア、カスタマイズされたソフトウェア、および日常の使用と定期的なメンテナンスのための人間のオペレーターのトレーニングが必要であるため、コストがかかる可能性があります。

これに加えて、SCADA システムは通常、産業運営にとって重要です。したがって、これらのシステムにおけるダウンタイムや障害は、いかなる形であっても高くつく可能性があります。これは、影響を受けるプロセスをシャットダウンするダウンタイムのコストと同様に、修復にコストがかかるためです。

適切なトレーニングがなければ、SCADA システムの使用は非常に難しく、複雑になる可能性があります。 SCADA の導入には、オペレーターが効果的に使用するための専門知識が必要です。十分な訓練を受けたオペレーターであっても、システムを稼働し続けるためには、複雑なメンテナンス作業を迅速かつ効率的に実行する必要があります。 SCADA 構成 (ハードウェアとソフトウェア) は通常、設計が複雑であるため、問題への対応は難しい場合があります。

これとは別に、SCADA 構成は通常、制御および管理する正確な産業環境に応じてカスタマイズされます。このため、これらのソリューションは、一度導入するとアップグレードや変更が困難になります。これを行うには通常、専門知識が必要ですが、それでもユーザーは業務の潜在的な中断に備えておく必要があります。

SCADA システムはサイバー攻撃に対して無縁ではありません。これらのソリューションにおけるサイバーセキュリティリスクは、SCADA が LAN、WAN、インターネットなどのネットワークに接続されているために発生します。正しいネットワークセキュリティ慣行に従わない場合、SCADA 導入は不正アクセスに対して脆弱になる可能性があります。これは産業プロセスの望ましくない制御や操作につながる可能性があり、生命や財産を危険にさらす可能性があります。

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SCADA は、産業プロセスを管理および制御し、シームレスで安全な生産性を確保するために不可欠なものとなっています。現在市場には数多くのオプションがあるため、トップクラスの SCADA ソフトウェアソリューションをいくつか見てみましょう。

SIMATIC は、プラントの透明性と生産性の最大化に特化した SCADA ソリューションです。その顕著な特徴には、オープン性、革新性、拡張性、プロセスの可視化が含まれます。

このソフトウェアは、自動化プロセスのシームレスな監視を可能にするいくつかの高性能属性で構成されています。これは、シングルユーザーシステムおよび冗長サーバーを含む分散マルチユーザーシステムに役立ちます。

Siemens SIMATIC オープンシステムには、産業用アプリケーションに通常必要な機能がすべて備わっています。非常に複雑な SCADA タスクとアプリケーションを視覚化できます。さらに、スマートフォンやタブレット用のモバイル SCADA ソリューションも付属しています。ユーザーはアドオンを使用してシステム機能を拡張することもできます。

GENESIS64 は Microsoft Windows 用の高度な HMI スイートであり、OPC、Modbus、BACnet などの標準接続上で高いパフォーマンスを提供できます。 OPC UA テクノロジーを使用して、建物の設備や工場フロアから企業システムまでの中断のない接続を提供することに重点を置いています。

ICONICS GENESIS64 を使用すると、一元化された視覚化ダッシュボードで製造、エネルギー、ビジネスの現場からのリアルタイムデータを監視できます。その他の機能には、企業全体の分散アラームシステム、2D および 3D グラフィックス、更新された構成をエクスポートする機能、履歴傾向とログなどがあります。

General Electric の CIMPLICITY は、オペレータの効率を最適化した高性能 HMI に特化しています。このソリューションは、高度な視覚化機能に加えて、プラント管理手順のリスク軽減を支援する機能でも好まれています。その主な機能には、安全なデータ収集、さまざまなデータソースへの適応性、堅牢な制御および監視機能が含まれます。これに加えて、HMI とダッシュボードはネイティブおよび HTML5 ベースの視覚化をサポートします。

GE CIMPLICITY は、異常検出のための詳細な警報システムも備えています。これとは別に、このソリューションの機能は、カスタマイズされた構成とデータ取得のための API とスクリプトを使用して拡張できます。また、高可用性、24 時間稼働、冗長性でも知られています。

CIMPLICITY は、レポート用のすべての KPI とコンプライアンスデータを含む運用ダッシュボードをユーザーに提供します。クラウド環境とハイブリッド環境の両方がサポートされているため、セットアッププロセスが簡単であることも特徴です。

Adroit Ignite は、洗練された HMI と高い柔軟性、拡張性、速度、使いやすさを特徴としています。 Microsoft Windows 用に構築されており、熟練ユーザー向けの高度な機能を備えています。このソフトウェアは、自動車、食品および飲料、公益事業、ライフサイエンス、電気通信、IoT、製造、およびビル管理企業に適しています。

このソリューションの主なハイライトは、ユーザーの生産性の向上に役立つ直感的なリボンツールバーです。その Operator アプリケーションと Designer アプリケーションはオンライン互換性があるため、オンプレミスアプリケーションとクラウドアプリケーションの両方に役立ちます。

Ignition は、産業オートメーションおよび制御用の強力で柔軟な SCADA ツールです。主なハイライトには、スクリプトツール、ドラッグアンドドロップデザイナー、および多数の産業用プロトコルの組み込みサポートが含まれます。

Java、SQL、および Web ベースのインターフェイスにより、誘導オートメーションによる点火が促進されます。他のシステムと簡単に統合でき、リアルタイムのデータ視覚化と分析をサポートします。堅牢なセキュリティと拡張性により、このソリューションは大規模なプロジェクトに適しています。

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SCADA は現代の製造業の重要なコンポーネントです。生産を合理化し、効率を高め、コストを削減します。 SCADA は、災害対策、機械のメンテナンス、プロセスの精度も向上させます。

市場にはいくつかの SCADA ソフトウェアソリューションが存在しており、適切なものを選択するかどうかは、企業の特定のビジネスニーズによって決まります。 SCADA ツールは、高価な機器と生産量を確保しながら、生産現場、ユーティリティ供給、その他の施設の最適な制御を保証する必要があります。

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