Un mercato sempre più dinamico e competitivo impone alle aziende una continua flessibilità e ottimizzazione della produzione, nonché una visione integrata e completa sui processi, per soddisfare le nuove esigenze di business. In questo scenario, in cui la digital transformation diventa fondamentale per conseguire gli obiettivi di competitività e di efficienza produttiva, i sistemi SCADA rivestono un ruolo sempre più centrale. Scopriamo il perché.
Cosa si intende per SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)?
Gli SCADA, acronimo di Supervisory Control and Data Acquisition, sono sistemi informatici distribuiti, di complessità variabile, dedicati al controllo e al monitoraggio, anche da remoto, di processi industriali e sistemi infrastrutturali. Dalla definizione in inglese – controllo di supervisione e acquisizione dati – si evincono chiaramente le funzioni e gli obiettivi di questi sistemi che, a più di cinquant’anni dalla loro nascita, rivestono ancora un ruolo di primo piano nell’architettura della smart factory, consentendo, con sistemi operativi standard, un’estrazione dei dati semplificata e favorendo l’integrazione e l’interazione dal punto di vista IT.
Il compito di uno SCADA consiste infatti nella raccolta dati centralizzata dai PLC e dai controllori installati sulle macchine, allo scopo di renderli fruibili, tramite interfacce grafiche, per operazioni di visualizzazione, consultazione e supervisione, sulla base delle quali comprendere, in real time, lo stato di salute effettivo degli impianti e degli stabilimenti produttivi e prendere decisioni in merito alla eventuale riconfigurazione dei sistemi, al fine di migliorarne l’efficienza produttiva e aumentarne la redditività.
Con il termine SCADA non ci si riferisce quindi ad una tecnologia specifica, ma ad una qualsiasi applicazione in grado di ricevere dati derivanti dal funzionamento di un sistema, al fine del suo controllo, gestione e ottimizzazione. Si tratta quindi di un mezzo con il quale massimizzare il rendimento di asset di varie dimensioni e perfino di interi stabilimenti, operando in modo sempre più veloce e snello.
In generale, nell’ambito dei sistemi di controllo dei processi industriali o infrastrutturali, i sistemi SCADA vengono utilizzati come interfaccia, sia verso operatori che verso altri sistemi, e si inseriscono in un’architettura che solitamente prevede una combinazione di elementi software e hardware, tra i quali controllori logici programmabili (PLC), reti di comunicazione e unità terminali remote (RTU – Remote Terminal Units), cioè sistemi relativi al controllo che, a loro volta, acquisiscono i dati da sensori e componenti che si trovano “sul campo”. Una volta raccolti, i dati di impianto vengono inviati e condivisi ad un livello superiore, tramite interfacce uomo-macchina (HMI) che consentono al personale qualificato di comandare l’operatività dei macchinari presenti all’interno dell’azienda. Le reti di comunicazione sono responsabili della trasmissione dei comandi e dei dati tra i vari componenti.
Nonostante siano stati protagonisti della terza rivoluzione industriale, per la loro stessa natura, i sistemi SCADA nel tempo si sono evoluti con architetture differenti, client-server, peer-to-peer, ecc. e, ad oggi, il loro mercato, considerato ancora non maturo, presenta ampi margini di crescita.
I software SCADA
I software SCADA costituiscono un ambiente di sviluppo integrato dotato di una serie di funzioni di base e di strumenti utili per realizzare le applicazioni SCADA destinate ai computer di supervisione e dedicate all’espletamento delle funzioni caratteristiche dei sistemi SCADA: l’acquisizione dati e il controllo di supervisione.
I sistemi SCADA vengono quindi utilizzati per:
- acquisire i dati di impianto, mediante opportuni driver di comunicazione, al fine di fornire informazioni sul processo;
- rappresentare i dati in forma grafica grazie a interfacce intuitive di tipo grafico (HMI – Human-Machine Interface);
- archiviare i dati in una base dati, che costituisce il cuore del sistema SCADA;
- inviare allarmi e notifiche in caso di anomalie o malfunzionamenti;
- consentire il controllo da remoto degli impianti, grazie all’invio dei dati tramite connessione internet, generalmente protetta con una VPN (Virtual Private Network).
La rappresentazione dei dati tramite HMI, elemento essenziale di un sistema SCADA, comprende dei quadri sinottici, con elementi statici e dinamici, e dei pannelli di controllo, che consentono all’operatore di interagire con l’impianto in maniera intuitiva e di sfruttare appieno tutte le funzionalità dello SCADA. In origine, si potevano utilizzare diversi sistemi HMI e SCADA, ma nell’era dell’Industria 4.0, le aziende optano per piattaforme integrate che, attraverso canali di trasmissione dati unificati, consentono una gestione globale di impianti, processi e personale.
La storicizzazione dei dati comporta la restituzione di serie storiche di dati, utili per analisi di tipo gestionale, per tenere traccia dei ritmi di produzione ai fini dell’efficientamento dei processi e per generare in automatico dei report a intervalli prefissati.
Gli SCADA, inoltre, possono eseguire delle “ricette”, cioè particolari sequenze di operazioni programmate dall’utente – i cosiddetti lotti o batch – che possono essere eseguite al verificarsi di una scadenza temporale prefissata, all’insorgere di eventi particolari oppure su richiesta dell’operatore. Grazie agli SCADA, è possibile avere un supporto alla manutenzione degli impianti, tramite dei piani di manutenzione, che può essere di tipo preventivo o predittivo.
I sistemi SCADA offrono quindi una serie di vantaggi, tra i quali:
- disporre di una grande mole di dati, sulla base dei quali prendere decisioni basate sull’effettivo funzionamento dell’impianto;
- avere una visione d’insieme dell’impianto e dell’evoluzione dei processi in tempo reale, semplice e immediata grazie ad interfacce HMI intuitive;
- ottimizzare i processi, grazie allo storico dati, ed effettuare interventi migliorativi precisi e puntuali;
- aumentare la sicurezza degli impianti, grazie al controllo continuo e alla trasmissione sicura dei dati.
La struttura modulare e scalabile delle versioni più aggiornate consente alle aziende un’estrema adattabilità e versatilità in caso di necessità di modifiche, in risposta alle esigenze e alle sfide del mercato globalizzato. Tali sistemi, inoltre, grazie al controllo centralizzato di realtà distribuite, sono particolarmente efficaci nel caso di strutture distribuite sul territorio, tipicamente reti di pubblica utilità, che tradizionalmente richiedevano la presenza di personale tecnico per l’esercizio, la manutenzione e il controllo, effettuabile oggi tramite l’accesso da remoto a tutte le informazioni del sistema.
Acquisizione dati
Tra le funzioni caratteristiche dei sistemi SCADA, l’acquisizione dati costituisce il processo tramite il quale vengono raccolti i dati dai sensori e dispositivi di campo al fine di controllare e monitorare i processi industriali. Funge quindi da supporto alle funzioni di supervisione e controllo. Tale processo comporta il trasferimento delle informazioni dai dispositivi periferici verso i computer di supervisione, e viceversa. In tal senso, per “acquisizione dati” si intende lo scambio in entrambe le direzioni. Mettendo in comunicazione il processo con la supervisione, l’acquisizione dati costituisce la funzione principale dello SCADA in quanto fornisce tutte le informazioni necessarie per l’osservazione e per il controllo dello stato del processo, permettendo agli operatori di indirizzare la sua evoluzione agendo sui valori delle variabili che lo caratterizzano.
Nell’architettura di un sistema SCADA, visto come una struttura costituita da un sistema di acquisizione, uno di trasmissione ed uno di elaborazione delle informazioni, gli apparati per l’acquisizione dati costituiscono la parte periferica del sistema, attraverso i quali è in grado di relazionarsi con la realtà circostante.
Per assicurare lo scambio di informazioni tra processo e supervisione, in un contesto caratterizzato da una molteplicità di mezzi trasmissivi, i sistemi SCADA hanno la necessità di stabilire un linguaggio comune che permetta il dialogo e consenta la trasformazione di informazioni relative a grandezze fisiche, quali, ad esempio, temperatura, pressioni, correnti, tensioni, ecc., in informazioni di tipo elettrico opportunamente codificate per uno scambio sicuro. Per questo si utilizzano diversi protocolli di comunicazione, come, tra i più diffusi, Modbus RTU e TCP, LonWork, CANbus, OPC, Siemens, Omron, Allen Bradley, KNX, Bacnet, DNP3 (Distributed Network Protocol), utilizzato per trasferire dati da postazioni remote soprattutto nel mercato energetico americano, e IEC 60870-5, uno standard utilizzato sul mercato europeo per la trasmissione di dati tra diversi sistemi SCADA.
Tipologie di piattaforme SCADA
Una delle principali classificazioni dei sistemi SCADA viene fatta in funzione del tipo di piattaforma, dove con “piattaforma” si intende lo strato software che realizza le funzioni proprie di uno SCADA. Nel dettaglio, possiamo distinguere tra piattaforme software “dedicate” e “aperte”.
In generale, quando si parla di piattaforme dedicate, ci si riferisce ad un software sviluppato per la supervisione di una specifica macchina, sistema o impianto che viene fornito dallo stesso produttore della macchina o da una software house sulla base di specifiche fornite dal committente.
Più specificatamente, tale tipologia può prevedere o meno la possibilità di configurazione da parte di personale qualificato, pur realizzando la connessione e l’integrazione soltanto con apparati di campo forniti dallo stesso produttore della piattaforma. Nel secondo caso, si parlerà di piattaforme “chiuse e dedicate”, ovvero di un software compilato closed-source, che soltanto il produttore potrà modificare, ampliare e integrare con sistemi paralleli o di livello superiore.
Si tratta di soluzioni che tipicamente vengono adottate nell’automazione di singole macchine e che, oggi, in ambienti di fabbrica altamente interconnessi, trovano un forte limite nella impossibilità di “scalare” o di adattarsi a condizioni di utilizzo diverse da quelle previste inizialmente.
Grazie ad un set di funzioni, che normalmente includono protocolli per comunicare con i dispositivi di campo, librerie grafiche per la realizzazione dei sinottici ed altri strumenti di base, le piattaforme aperte, invece, offrono un vero e proprio ambiente di sviluppo integrato sul quale realizzare la propria applicazione SCADA.
Con queste soluzioni è possibile modificare e adattare le caratteristiche e le potenzialità del sistema alle necessità future dell’impianto, connettendo, ad esempio, nuovi apparati, aumentando o diminuendo la quantità di punti controllati, creando nuove pagine grafiche o permettendo anche di integrare hardware di campo fornito da terzi, anche da personale diverso dallo sviluppatore originario, senza che siano richieste specifiche competenze di programmazione.
Il software è strutturato su due strati:
- il primo, costituito dalla piattaforma SCADA, è comune a tutti gli utilizzatori ed è solitamente indipendente dal settore applicativo. Anche in questo caso la piattaforma può essere commerciale, di tipo closed source, con un software aperto e liberamente configurabile dall’utente, i cui codici sorgenti non sono resi pubblici, oppure open source, nel caso in cui invece lo siano, con licenze di tipo GPL o simili;
- il secondo strato, modellato sulla macchina o sull’impianto da supervisionare, è costituito dall’applicazione SCADA realizzata dall’utilizzatore o più spesso dai developer e system-integrator, laddove la personalizzazione richieda le competenze di un programmatore esperto.
La necessità di integrare senza soluzione di continuità una gamma sempre più vasta di sistemi e dati, dovuta al maggior numero di asset distribuiti su aree geografiche sempre più estese e alla crescente minaccia di attacchi informatici, determina una crescente complessità nell’implementazione delle soluzioni SCADA ed una richiesta di scalabilità e flessibilità che rende le soluzioni open molto più vantaggiose.
I sistemi modulari di nuova generazione aiutano gli utenti a migliorare le operazioni, ottimizzare l’impianto e il processo decisionale, identificando i problemi e gestendoli in modo più efficiente e soprattutto assicurando il supporto del produttore della piattaforma SCADA o dell’integratore delle soluzioni open, che non richiedono il vincolo ad un particolare vendor di apparati di campo.
Differenze tra SCADA e DCS
Con DCS (Distributed/Decentralized Control System) solitamente si intende un paradigma che descrive un sistema di automazione “a livelli”. Quando l’acronimo viene utilizzato per indicare dei sistemi di controllo e supervisione integrati, sia i DCS che gli SCADA assolvono alle stesse funzioni di integrazione di più sottosistemi, acquisizione ed elaborazione dati, scambio di informazioni con il campo, con un’architettura distribuita in entrambi i casi.
In realtà, attualmente, la distinzione fra i due sistemi viene mantenuta solo in alcuni ambiti specifici; il DCS è infatti un sistema di controllo utilizzato per gestire processi di grandi dimensioni che hanno la caratteristica di essere distribuiti geograficamente, come ad esempio gli impianti di raffinazione petrolchimica, di produzione energia elettrica, ecc.
Concepiti per la gestione di grandi mole di dati e per elaborazioni analitiche complesse, per garantire l’effettiva dislocazione dei moduli per l’acquisizione dati, l’elaborazione e il controllo di cui sono composti, i DCS devono disporre di una rete di comunicazione efficiente e ad alta velocità.
Tornando alla differenza tra SCADA e DCS, quindi, i primi comunicano tramite reti WAN (Wide Area Network del tipo Ethernet + TCP/IP), mentre i DCS sono sistemi che raggruppano numerosi nodi controllati all’interno di una rete LAN (Local Area Network).
È la modalità con cui i sistemi SCADA e DCS interagiscono con il processo che li differenzia: lo SCADA dà un’indicazione che implica una gestione locale da parte dei dispositivi di controllo, azione che comporta la possibilità che i dispositivi svolgano il proprio compito anche se lo SCADA si disconnette o subisce un guasto e che consente l’impiego dei sistemi SCADA anche su reti distribuite, dato che l’impianto locale è parzialmente autosufficiente. Nel sistema DCS, il supervisore è implementato su un sistema operativo real-time (RTOS) e l’interazione tra dispositivi di controllo e di supervisione è più stretta.
La differenza tra SCADA e DCS, quindi, si basa sul grado di distribuzione dell’intelligenza del sistema: nello SCADA, le funzioni di controllo sono concentrate nel sottosistema di elaborazione, distinte da quelle di acquisizione sia da un punto di vista fisico che tecnologico; il sistema DCS si differenzia per avere strutture di acquisizione con elevata capacità di elaborazione per le quali le funzioni di acquisizione e controllo sono invece contigue.
Nei DCS non si parla quindi di apparecchiature di acquisizione, come negli SCADA, ma di sistemi di elaborazione, più o meno complessi, in grado di interpretare i dati e prendere decisioni orientate al controllo dello stato dei sistemi. Con lo sviluppo delle moderne tecnologie e infrastrutture di comunicazione, tuttavia, la distinzione tra SCADA e DCS non ha più ragione di essere, in quanto la scelta tra un sistema a controllo centralizzato e acquisizione pura e un sistema a controllo distribuito e apparecchiature di acquisizione complesse, è dettata da fattori legati alla scalabilità, manutenibilità o altre specificità di progetto.
SCADA e IoT
Nonostante l’età, i sistemi SCADA svolgono un ruolo da comprimari di primo livello anche nell’era della smart factory. Grazie alle tecnologie 4.0 e all’Internet of Things (IoT), in virtù del quale un qualunque dispositivo connesso in rete è in grado di trasmettere i propri dati al cloud, e a protocolli di nuova generazione, come MQTT (Message Queue Telemetry Transport), gli SCADA, potenziati nelle proprie funzioni e svincolati da codici e protocolli proprietari, riescono ad evolvere e ad aumentare le potenzialità dell’Industrial Internet of Things (IIoT).
Interconnessi con sistemi superiori come MES e ERP grazie all’uso di standard aperti come OPC UA e SQL che ne facilitano l’integrazione, svolgono la loro funzione principale, la raccolta e la verifica dei dati aziendali, in modo più affidabile, più articolato, intelligente, veloce e sicuro rispetto ad un tempo, acquisendo informazioni preziose dalla produzione, che costituiscono la vera ricchezza dell’azienda.
Implementati con connettori universali per l’integrazione dei dati nel cloud e per fare in modo che possano interagire con piattaforme pubbliche quali Azure, Google Cloud, AWS o anche con i social network, gli SCADA facilitano l’integrazione Industry 4.0 tra macchine esistenti e moderni sistemi informatici, fungendo anche da gateway fra sistemi “più datati”, come file CSV, Modbus, ecc. e interfacce più recenti, quali ad esempio le strutture JSON, REST-API, ecc.
Esempi di applicazioni SCADA
Nati nell’ambito dell’automazione industriale, in risposta alla richiesta di controllo e supervisione del funzionamento degli impianti, grazie alla loro versatilità e alle molteplici funzionalità che possono offrire in termini di ottimizzazione dei processi produttivi, controllo della qualità, conformità normativa e rapporti di produzione, gli SCADA trovano applicazione in quasi tutti i tipi di processo industriale e in numerosi settori, dalla plastica al legno, dalla ceramica all’alimentare, dal tessile al packaging.
Essendo in grado di monitorare parametri di varia natura, in realtà hanno trovato largo impiego anche in ambiti molto diversi dall’automazione. Sono infatti ampiamente utilizzati anche per il controllo delle reti di pubblica utilità, da quelle elettriche a quelle idriche o ferroviarie, nei sistemi aeroportuali, nella building automation e nella domotica.
Nello specifico, solo per richiamare alcune applicazioni certamente non esaustive delle infinite potenzialità di questi sistemi, il loro utilizzo è particolarmente efficace nel monitoraggio continuo dei consumi e dei costi energetici dei quadri elettrici di bassa e media tensione; in quello delle apparecchiature locali o remote adibite alla conservazione di materiale organico negli ambienti ospedalieri e nella redazione dei rapporti periodici per la Certificazione di Qualità, in conformità con le disposizioni legislative vigenti; nel monitoraggio del livello di inquinamento da polveri negli impianti industriali e nella riduzione delle emissioni; nel controllo qualità imposto dalla normativa ai processi di produzione e di conservazione nell’industria alimentare e in quello sui trattamenti termici dei metalli; nella supervisione e certificazione della qualità del processo di produzione negli impianti del settore enologico. Ogni soluzione differisce leggermente dalle altre e trova un campo applicativo tipico.
