everything a modern Scada system should be

Scalable, mobile, flexible and independent:
everything a modern Scada system should be
Eisenstadt, September 2015
Scalable,
mobile,
flexible
and
independent:
everything a modern Scada system should be
The requirements imposed on modern Scada systems exceed far
beyond classical operating and monitoring tasks. Users today are
calling for systems which are both manufacturer and platformindependent, scalable solutions capable of being used in different
hardware systems, fully functional user interfaces compatible with
current and future operating systems and also facility for embedding
in existing processes. From connection to different data sources
through to the integration of Manufacturing Execution Systems (MES)
or Enterprise Resource Planning (ERP): Simatic WinCC Open
Architecture addresses all these requirements with a single system.
Scalability
If they are to meet the growing demands made on modern infrastructure,
Scada systems have to enable expansion at any time without giving rise to
technological discontinuity or forcing projects back to the drawing board.
The demands in question are many and varied: The CEO of a wind farm
operating company wants to find out how much power is being generated
at any given moment in time simply by consulting his tablet. The
maintenance engineer monitors the status of all wind turbines to enable
him to navigate directly to a malfunctioning turbine and analyze the fault.
The service technicians need to be able to access the same information on
site so that they can localize and clear up the problem without wasting
valuable time.
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Dr. Dipl.-Ing. Bernhard Reichl, CEO
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Fig. 1: Simatic WinCC Open Architecture is scalable up to 2,048 servers with 255 clients each
Safety is the number one priority when it comes to monitoring road tunnel
systems. Here, system redundancy ensures almost one hundred percent
system availability without loss of data. Safety and availability are similarly
vital in the field of energy generation and supply. Here, Simatic WinCC
Open Architecture provides SIL3 certification in compliance with IEC
61508 confirmed by the TÜV Süd Technical Inspection Association. The IEC
61508 is the national standard governing the functional safety of electrical,
electronic and programmable electronic systems. Part 3 of the IEC 61508
imposes stringent demands on fields of responsibility, processes,
documentation and technologies used in the development and appraisal of
safety-relevant software. What is known as the “Safety Integrity Level” is
used to characterize quality in the IEC 61508. This is categorized in four
levels from SIL1 (relatively minimal requirements) through to SIL4 (very
stringent requirements). By using the SIL3-certified Simatic WinCC Open
Architecture Scada system, planners, integrators and end users will initially
save themselves time, and further down the line also money, as the entire
control system acceptance process is significantly simplified.
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The integration of video systems is playing an increasingly important role
in the infrastructure sector. Simatic WinCC Open Architecture enables the
native integration of video management functions into Scada projects.
Standard hardware components can be used for digital video recording.
Video streams can be either saved continuously in a ring memory or
event-driven with a defined lead-in and lead-out time. Recordings from
several cameras can be played back synchronously, allowing
comprehensive surveillance and control of complex facilities such as
traffic systems from a single operating station. This allows problem
situations to be recognized and the relevant response initiated at an
earlier juncture. By combining Scada and video surveillance, it is possible
to save the costs for separate video interfaces, reduce the amount of
maintenance and operating effort involved and cut the time spent training
operating staff.
Mobility
The rapid pace of globalization and increasing mobility call for systems
capable of use around the world which permit mobile access to plant
information at any time, in any location. Modern Scada systems such as
Simatic WinCC Open Architecture grow in step with their assignments,
from the single static workstation solution within a plant through to
integration into the company-wide control system. High-performance endto-end communication, a high level of availability, reliable information,
fast interaction and user convenience are guaranteed every time. Whether
from a smartphone, tablet, notebook or workstation – the user interface
must offer the same standardized look & feel. For this, Simatic WinCC
Open Architecture uses Qt, a cross-platform graphic user interface
programming
system.
Qt
offers
extensive
functions
for
internationalization, as well as database functions and XML support, and
can be used with most commonly found operating systems such as Linux,
Mac OS X, Windows, iOS and Android. Using Qt allows the full
functionality of the standard user interface to be ported simply into
Simatic WinCC Open Architecture.
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The native user interface is resolution-independent and provides
additional scope for device-specific displays. A complete image generally
comprises a frame and image content. In the new native user interface,
the frame of the image adjusts steplessly to the selected resolution using a
layout container system. If required, several device classes can be used to
display the image content. These define the relevant dot density (dpi:
dots/inch) for the different display devices such as PC monitors, tablets or
smartphones. Additional customer-specific device classes can also be
generated.
Fig. 2: Responsive design with Simatic WinCC Open Architecture
The native user interface is installed in the same way as an app. Another
major bonus is its high security level, which guarantees every authorized
employee secure data access. Communication takes place over SSL, and
the server has a dedicated device management and administration. This
offers a variety of benefits for the user: he has direct access to all company
data – in any location, at any time. There is a fully functional HMI on
mobile devices which allows rapid decision-making without the need for
project data to be loaded manually to the client. This is dealt automatically
by the Simatic WinCC Open Architecture server without any need for
programming, eliminating the need to use costly and time-consuming
resources.
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Where special requirements arise, for instance where installation at the
client is not possible or there is a need for plant data to be integrated in
management dashboards or intranet pages, a browser-based solution is
the right option. This is also available in Simatic WinCC Open Architecture
for desktops.
Flexibility
In this day and age, the ideal Scada system is one that can be used for a
wide range of different tasks. While a system integrator may generate
varied solutions for monitoring and controlling the facilities of different
clients, he still only wants to use one system himself. As an example, a
pumping station is controlled and monitored on site by a multitouch
industrial PC, a medium-sized plant is visualized using several on-site
operator panels, and a higher-level control center comprises a number of
workstations equipped with several monitors each as well as a large video
wall. All these elements can be grouped to create one overall system. With
one overriding management system, the operator at the control center
can directly access every individual pump, motor and so on, bring up a 1:1
plant image and also operate the plant.
In cases such as these, end customers, system integrators or plant
engineers with only a single Scada system enjoy a decisive benefit: they
save both time and costs. Firstly as a result of significantly shorter
engineering times, lower training input and reduced commissioning and
maintenance costs, and secondly because a standardized system provides
greater operational reliability and availability of plant and machinery. This,
in turn, impacts positively on quality and productivity. However, for this
the Scada software must be capable of running on any kind of hardware:
on single board computers, embedded industrial PCs such as the Nanobox,
on standard computers, mainframe computer systems or virtualized
systems. This calls for lean software architecture capable of managing
with few computer resources.
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Right from the outset, Simatic WinCC Open Architecture was developed in
this direction, in other words from the bottom up. Here, the overall system
is distributed over a large number of processes, using what has been
termed the “manager concept”. If individual “managers” such as the
archive manager or the redundancy manager are not required for a
particular project, they are simply dispensed with, while necessary
managers such as the event manager are constructed using minimal
resources. In addition, Simatic WinCC Open Architecture uses no resources
which are not available in all operating systems, making the Scada system
lean and able run on without dependency on any particular operating
system.
Independence
An open concept offers scope for integration of wide-ranging different
components. From the automation level right up to the operational
supervision and management level, precisely tailored solutions can be
enabled. For this, a modern Scada system requires extensive drivers and
flexible possibilities for linking to other systems. Simatic WinCC Open
Architecture offers the benefit that it is able to operate several drivers in
parallel. These can either be the same or different types of driver. Within
one and the same system, it is therefore possible to simultaneously
establish connections via the S7 protocol to a Simatic controller, via IEC
60870-5-104 to a telecontrol system and via OPC UA to any optional OPC
server. All connections for OPC, field buses, telecontrol, TCP/IP and many
more are naturally available.
Simatic WinCC Open Architecture works independently of any operating
system, and runs on both Windows and Linux. Different operating system
platforms can also be used within a single system. This level of
independence, which was a design goal right from the beginning, has
enabled Simatic WinCC Open Architecture to become one of the most
successful Scada systems worldwide.
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A number of examples taken from practice using Simatic WinCC Open
Architecture illustrate the benefits of a modern Scada system.
Monitoring in a high-speed train
Train visualization using Simatic WinCC Open Architecture was successfully
realized some years ago in the Railjet high-speed train operated by the
Austrian Federal Railways (ÖBB). A full Railjet high-speed train unit
comprises ten coaches. These are equipped with a total of twelve touch
panels running under the Windows XP embedded operating system, with
a 600 MHz CPU, 1 GB RAM and a 1 GB flash memory. A Simatic WinCC
Open Architecture server is installed on each of the touch panels. The
sequence of coaches can be changed at will. The servers exchange
information and adjust the coach sequence accordingly – simply during
normal run time without complex engineering. Every coach has an
independent diagnostic system in which all the relevant information is
collected. All the technical facilities are linked either directly or indirectly
to the independent diagnostic system. With the aid of Simatic WinCC
Open Architecture, train attendants and drivers receive all the necessary
information about error statuses in the train coaches, while service and
repair personnel are kept up to speed with all the relevant data relating to
permanent and transient faults occurring in the equipment.
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Tunnel control system for the new Gotthard Base Tunnel
With a length of 57 km, the world’s longest railway tunnel is in the process
of being constructed between Erstfeld and Bodio in Switzerland. In a total
of eleven sub-projects, nine redundant head computer systems and 15
subordinate group computers are used which are all based on the Simatic
WinCC Open Architecture software. The entire tunnel infrastructure such
as power supply, catenary system, ventilation and air conditioning,
lighting, operation and surveillance of doors and gates will be monitored,
operated and visualized in two Tunnel Control Centers, one each at the
northern and the southern entrances to the tunnel. The system
communicates with the Tunnel Control Center (TCC) using OPC UA, with
the electric power plant using IEC60870-5-101/104 and with the safety
systems on the medium-voltage level using IEC60870-5-103/104.
From October 2015, the functionality and safety of the Gotthard Base
Tunnel will be exhaustively tested in over 3000 test runs before the tunnel
goes into service in June 2016.
Text: ETM professional control GmbH ©2015
Illustrations: Figs. 1, 2: ETM professional control GmbH ©2015
Forwarding to third parties is only admissible with the prior consent of the author.
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Original text published
in the German magazine
Computer & Automation
S4-2015 • 7,50 €
computer-automation.de
Sonderheft
HMI & IPC
6
Augmented Reality
Smart Glasses für
die Fertigung
18
App-Entwicklung
Ein plattformübergreifender Ansatz
52
Gehäusetechnik
Die wichtigsten
­IPC-Architekturen
HMI/Visualisierungs-Technologie
Martina Hubert
Das moderne Scada-System
Sie sind die Schaltstellen der Fertigung und helfen, den Überblick über die Vorgänge zu bewahren.
Skalierbar, mobil, flexibel und unabhängig – das sind die Anforderungen an ein modernes System.
(Bilder: ETM Professional Control)
D
ie heutigen Anforderungen an moderne Scada-Systeme gehen weit
über das klassische Bedienen und Beobachten hinaus. Gefragt sind hersteller- und plattformunabhängige Systeme, skalierbare Lösungen für den
Einsatz auf unterschiedlichen Hardwaresystemen, voll funktionsfähige
User Interfaces (Benutzer-Oberflächen)
für aktuelle und zukünftige Betriebssysteme sowie die Einbettung in bestehende Prozesse. Ebenso wichtig ist
eine funktionierende Anbindung unterschiedlicher Datenquellen bis hin zur
Integration von MES(Manufacturing exe-
cution system)- oder ERP(Enterprise resource planning)-Systemen.
Skalierbarkeit
Um den wachsenden Anforderungen im
industriellen Infrastrukturbereich begegnen zu können, sollten Scada-Systeme jederzeit erweiterbar sein, ohne dass
es dabei zu Technologiebrüchen kommt
oder komplette Neuprojektierungen erforderlich sind. Und diese Anforderungen sind vielfältig. So möchte zum
Beispiel der Geschäftsführer der
Windpark-Betreiberfirma jederzeit auf
seinem Tablet sehen, wie viel Strom
www.computer-automation.de . HMI & IPC 2015
produziert wird. Der Instandhalter beobachtet den Zustand aller Windturbinen, um bei einem Problem direkt zu
der betroffenen Turbine zu navigieren
und den Fehler zu analysieren. Vor Ort
möchte das Wartungspersonal dieselbe
Information vorfinden, um den Fehler
schnell lokalisieren und beheben zu
können. Um dies alles zu gewährleisten,
muss das System stetig erweiterbar
sein. Ein modernes Scada-System wie
das ‚Simatic WinCC Open Architecture‘ ist skalierbar. So können an das
System bis zu 2048 Server mit je 255
Clients angeschlossen werden.
21
22
HMI/Visualisierungs-Technologie
Der mögliche
Aufbau einer
Scada-Landschaft:
Im Zentrum steht
dabei der
WinCC OA Server.
Die Umgebung
ist nahezu beliebig
zu gestalten und
zu erweitern.
Auch die Integration von Videosystemen spielt im Infrastrukturbereich
eine immer wichtigere Rolle. Simatic
WinCC Open Architecture ermöglicht
die native Integration von Video-Management-Funktionen in ein ScadaProjekt. Eine digitale Aufzeichnung von
Videos auf Standard-Hardware-Komponenten ist so möglich. Die Videostreams können kontinuierlich in einem
Ringspeicher oder bei einem Ereignis
mit einer Vor- und Nachlaufzeit gespeichert werden. Außerdem kann das System Aufzeichnungen mehrerer Kameras
zeitsynchron abspielen.
Damit ist eine umfassende Überwachung und Steuerung von komplexen
Einrichtungen von nur einem Bedienplatz aus möglich. So können Problemsituationen früher erkannt und entsprechend darauf reagiert werden. Durch
die Kombination von Scada und VideoÜberwachung lassen sich die Kosten für
Responsive Design ist bei modernen
Scada-Systemen ein Muss: Durch LayoutContainer passt sich der Rahmen des Bildes
stufenlos an die gewünschte Auflösung an.
separate Video-Interfaces sowie den zusätzlichen Aufwand bei Wartung und
Betrieb einsparen, darüber hinaus reduziert sich die Ausbildungsdauer für
das Bedienpersonal.
Die Sicherheit spielt bei Scada-Systemen ebenfalls eine wichtige Rolle.
Diese wird mit einer Systemredundanz
erreicht, die eine beinahe 100-%ige
Anlagenverfügbarkeit ohne Datenverlust sichert. Auch bei der Energiegewinnung- und -versorgung stehen Sicherheit und Verfügbarkeit im
Vordergrund. Hier bieten moderne
Scada-Systeme wie Simatic WinCC
Open Architecture eine vom TÜV Süd
bestätigte SIL3-Zertifizierung nach
IEC 61508. Die IEC 61508 ist die
internationale Norm zur funktionalen
Sicherheit elektrischer, elektronischer
und programmierbarer elektronischer
Systeme. Teil 3 dieser Norm stellt erhebliche Anforderungen an die Ver­
antwortlichkeiten, Prozesse, Dokumentationen und Techniken bei der
Entwicklung und Begutachtung sicherheitsrelevanter Software. In der IEC
61508 wird zur Charakterisierung der
Qualität die sogenannte ‚Sicherheitsintegrität‘ verwendet, die in vier Stufen
von SIL1 (relativ geringe Anforderungen) bis SIL4 (sehr hohe Anforderungen) kategorisiert ist. Planer, Integratoren und Endkunden sparen durch den
Einsatz eines SIL3-zertifizierten Scada-Systems Zeit und in weiterer Folge
Geld, da der gesamte Abnahmeprozess
für das Leitsystem deutlich erleichtert
wird.
Mobilität
Gerade die Globalisierung erfordert
Systeme für den weltweiten Einsatz, die
jederzeit und überall den mobilen Zugang zu Anlageninformationen ermöglichen. Moderne Scada-Systeme wachsen mit ihren Aufgaben, von der
Einzelplatzlösung an der Anlage bis zur
Einbindung in das unternehmensweite
Leitsystem. Eine durchgängige, hochperformante Kommunikation, hohe Verfügbarkeit, verlässliche Informationen,
schnelle Interaktion und Bedienfreundlichkeit sollten immer gewährleistet
sein. Egal ob vom Mobiltelefon, Tablet,
Notebook oder von der Workstation –
die Darstellung und Bedienung muss
jeweils einheitlich und durchgängig
sein. Simatic WinCC Open Architecture
nutzt dafür Qt – eine plattformübergreifende Programmierung für grafische
HMI & IPC 2015 . www.computer-automation.de
HMI/Visualisierungs-Technologie
23
Prozessvisualisierung
Bedienoberflächen. Qt bietet umfangreiche Funktionen zur Internationalisierung sowie Datenbankfunktionen und
XML-Unterstützung und ist für eine
große Zahl an Betriebssystemen wie Linux, Mac OS X, Windows, iOS und Android einsetzbar. Durch die Verwendung
von Qt kann die volle Funktionalität des
Standard User Interfaces unkompliziert
in das Scada-System portiert werden.
Das neue native User Interface des Scada-Systems bietet eine auflösungsunabhängige Darstellung und zusätzliche
Möglichkeiten für gerätespezifische
Anzeigen. Ein Gesamtbild besteht normalerweise aus einem Rahmen und
einem Bild-Inhalt. Bei der neuen Bedienoberfläche passt sich der Rahmen
des Bildes durch Layout-Container stufenlos an die gewünschte Auflösung an.
Für die Darstellung des Bild-Inhaltes
können bei Bedarf mehrere Geräteklassen verwendet werden. Diese definieren die entsprechende Punktdichte
(dpi: dot/inches, Punkte pro Zoll) für
die verschiedenen Anzeigegeräte wie
Computermonitor, Tablet und Smartphone. Es können auch zusätzliche,
kundenspezifische Geräteklassen erstellt werden. Das native User Interface
lässt sich auf den Endgeräten wie eine
App in­stallieren.
Ein weiterer Pluspunkt ist die hohe
Sicherheit. Sie garantiert jedem befugten Mitarbeiter einen sicheren Datenzugriff. Die Kommunikation läuft über
SSL; am Server befinden sich eine eigene Geräteverwaltung und Administration. Daraus ergeben sich für den User
zahlreiche Vorteile: Er verfügt über den
direkten Zugriff auf alle Unternehmensdaten – überall und jederzeit. Auf den
mobilen Geräten befindet sich ein voll
funktionsfähiges HMI für eine schnelle
Entscheidungsfindung. Es müssen keine
Projektdaten manuell auf den Client geladen werden. Dies erledigt der Server
automatisch und so ist keine Programmierung notwendig. Dadurch entfallen
kosten- und zeitintensive Ressourcen.
Für spezielle Anforderungen, zum
Beispiel wenn keine Installation am
Client möglich oder die Einbindung von
Anlagendaten in Management-Dashboards oder Intranet-Seiten gefragt ist,
bietet sich eine Browser-basierte Lösung an. Sie ist ebenfalls in Simatic
WinCC Open Architecture für Desktops
verfügbar.
Flexibilität
Das ideale Scada-System ist heutzutage
für diverse Aufgaben einsetzbar. Ein
Systemintegrator erstellt für seine Kunden unterschiedliche Lösungen, um deren Anlagen zu überwachen und zu
steuern, will aber trotzdem nur ein System verwenden. So wird beispielsweise
eine Pumpstation vor Ort durch einen
Multitouch-Industrie-PC gesteuert und
überwacht, eine mittelgroße Anlage
über mehrere Vor-Ort Bedienpanels visualisiert, und in einer übergeordneten
Bedienzentrale gibt es einige Arbeitsplätze mit mehreren Monitoren sowie
einer großen Monitorwand. Diese Systeme können zu einem Gesamtsystem
zusammengefasst werden. Mit einem
übergeordneten Leitsystem kann der
Anwender vom Leitstand aus sowohl
Überwachung im Hochgeschwindigkeitszug
Im Hochgeschwindigkeitszug Railjet der
Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) ist
seit einigen Jahren die Zugvisualisierung mit
Simatic WinCC Open Architecture erfolgreich
realisiert. Eine vollbesetzte Garnitur des
Hochgeschwindigkeitszugs Railjet besteht
aus zehn Wagen. Diese sind mit insgesamt
zwölf Touchpanels mit Betriebssystem
Windows XP embedded, einer 600-MHz-CPU
mit 1 GByte RAM sowie 1 GByte Flashspeicher ausgestattet. Auf jedem Touchpanel ist
ein Server installiert. Die Wagenreihenfolge
kann beliebig geändert werden. Die Server
tauschen sich untereinander aus und passen
die Wagenreihenfolge entsprechend an.
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WinCC Open Architecture erhalten Zugbegleiter und Fahrer alle notwendigen
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Gotthard-Basistunnel
Das Tunnelleitsystem
Zwischen Erstfeld und Bodio in der
Schweiz entsteht derzeit der mit 57 km
Gesamtlänge längste Bahntunnel der Welt.
In insgesamt elf Teilprojekten werden
neun redundante Kopfrechnersysteme und
fünfzehn unterlagerte Gruppenrechner
eingesetzt, die alle auf der Software
Simatic WinCC Open Architecture basieren.
In je einem Tunnel-Control-Center am
Nord- beziehungsweise Südportal wird die
gesamte Tunnel-Infrastruktur, wie
Stromversorgung, Fahrleitung, Lüftung und
Klima, Beleuchtung sowie die Bedienung
und Überwachung von Türen und Toren
überwacht, bedient und angezeigt.
Mit der Bahn- und Tunnelleittechnik
kommuniziert das System über OPC UA,
mit dem Elektrizitätswerk über
IEC 60870-5-101/104 und mit den
Schutzgeräten auf der Mittelspannungsebene mit IEC 60870-5-103/104.
Ab Oktober 2015 werden in über 3000
Testfahrten die Funktionalität und
Sicherheit des Gotthard-Basistunnels
getestet, bevor im Juni 2016 der Betrieb
aufgenommen wird.
direkt auf jede einzelne Komponente
wie Pumpe oder Motor zugreifen und
sich das Anlagenbild 1:1 anzeigen lassen als auch die Anlage bedienen.
In solchen Fällen haben Endkunden,
Systemintegratoren oder Anlagenbauer
mit nur einem Scada-System einen entscheidenden Vorteil: Sie sparen Zeit
und Kosten. Zum einen durch wesentlich kürzere Engineering-Zeiten, geringeren Schulungsaufwand und weniger
Inbetriebnahme- und Wartungskosten.
Zum anderen bietet ein einheitliches
System höhere Betriebssicherheit sowie
Verfügbarkeit der Anlagen und Maschinen. Das wirkt sich wiederum auf
Qualität und Produktivität aus.
Jedoch muss die Scada-Software
in der Lage sein, auf jeder Hardware
zu laufen. Ob auf Einplatinen-Com­
putern, Embedded-Industrie-PCs wie
der Nanobox, Standard-Computern,
Großrechnersystemen oder virtualisierten Systemen. Voraussetzung dafür ist eine schlanke Software-Architektur, die mit wenigen ComputerRessourcen auskommt. Simatic WinCC
Open Architecture wurde von Beginn
an in diese Richtung entwickelt – und
zwar von unten nach oben. Hier verteilt sich das Gesamtsystem auf viele
Prozesse – umgesetzt im sogenannten
‚Managerkonzept‘. Werden einzelne
‚Manager‘ in einem Projekt nicht benötigt, wie etwa der Archiv- oder der
Redundanz-Manager, so lässt man diese einfach weg. Notwendige Manager
hingegen, wie der Event-Manager, sind
sehr ressourcenschonend gebaut. Außerdem nutzt das System keine Ressourcen, die nicht in allen Betriebssystemen vorhanden sind. Das macht das
Scada-System Betriebssystem-unabhängig und schlank.
Unabhängigkeit
Ein offenes Konzept erlaubt die
­ inbindung unterschiedlichstem KomE
ponenten. Von der Automatisierungsebene bis hinauf zur Betriebsführungs- und Managementebene können
zugeschnittene Lösungen ermöglicht
werden. Dazu benötigt ein modernes
Scada-System umfassende Treiber
und flexible Anbindungsoptionen zu
anderen Systemen. Simatic WinCC
Open Architecture hat den Vorteil,
mehrere Treiber parallel betreiben zu
können. Diese können von ein und
demselben oder auch unterschied­
lichen Typs sein. So ist es beispielsweise möglich, in einem System
gleichzeitig Verbindungen über das
S7-Protokoll zu einer Simatic-Steuerung, über IEC 60870-5-104 zu einem
Fernwirksystem und über OPC UA zu
einem beliebigen OPC-Server zu etablieren. Dabei stehen alle gängigen
Anbindungen für OPC, Feldbusse,
­
Fernwirken, TCP/IP und viele mehr
zur Verfügung.
Simatic WinCC Open Architecture ist
nicht nur Betriebssystem-unabhängig
und läuft auf Windows und Linux, sondern es können auch verschiedene Betriebssystem-Plattformen innerhalb eines Systems verwendet werden.
ld
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Martina
Hubert
ist Marketing-Leiterin
WinCC OA bei ETM.
25