SCADA: cos’è e come i sistemi SCADA migliorano l’industry 4.0

Nell’attuale scenario industriale, 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.

Essi, infatti, permettono di controllare in modo efficiente le apparecchiature o i processi industriali, raccogliere informazioni sulle prestazioni e trasmettere segnali di allarme o prendere decisioni rapide. Sono quindi assolutamente essenziali per migliorare le prestazioni della produzione industriale, ridurre i costi di manutenzione e aumentare la produttività.

Inoltre, attraverso l’utilizzo avanzato di soluzioni SCADA, acronimo che sta per Supervisory Control and Data Acquisition, cioè controllo di supervisione e acquisizione dati, è possibile fornire una maggiore visibilità e controllo dei processi industriali, ottimizzando l’utilizzo delle risorse e migliorando la sicurezza della produzione. Ad esempio, possono essere utilizzati per monitorare costantemente i dati come temperatura, pressione, velocità e livelli di lubrificazione in un macchinario industriale.

Inoltre, l’utilizzo dell’intelligenza artificiale può aiutare nella diagnostica del sistema fornendo informazioni precise sui processi industriali in tempo reale. Ciò consente alle aziende di identificare i problemi prima che causino guasti, riducendo così il rischio di interruzioni della produzione e permettendo loro di prendere decisioni rapide ed efficaci.

Cosa si intende per SCADA

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. Essi consentono, con sistemi operativi standard, un’estrazione dei dati semplificata, favorendo l’integrazione e l’interazione dal punto di vista IT.

Cosa fanno i sistemi SCADA

Il compito di uno SCADA consiste nella raccolta dati centralizzata dai PLC e dai controllori installati sulle macchine. Lo scopo è 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.

Ciò al fine di prendere decisioni in merito alla eventuale riconfigurazione dei sistemi e migliorarne l’efficienza produttiva e aumentarne la redditività.

Con il termine SCADA non ci si riferisce 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.

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

Gli ambienti di sviluppo integrato dei software SCADA offrono una serie di funzioni di base e strumenti utili per la creazione di applicazioni SCADA destinate ai computer di supervisione.

Queste applicazioni sono progettate per svolgere le funzioni caratteristiche dei sistemi SCADA, ovvero 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.

I vantaggi dei sistemi SCADA

Gli SCADA possono eseguire delle ricette, cioè particolari sequenze di operazioni programmate dall’utente – i cosiddetti lotti o batch. Queste, 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.

Sistemi SCADA: come funziona l’acquisizione dati

L’acquisizione dati è una delle funzioni fondamentali dei sistemi SCADA, poiché consente di raccogliere informazioni dai sensori e dai dispositivi di campo per il controllo e il monitoraggio dei processi industriali.

Questo processo comprende il trasferimento bidirezionale delle informazioni tra i dispositivi periferici e i computer di supervisione.

Connessione tra il processo e la supervisione, l’acquisizione dati rappresenta il cuore dello SCADA, fornendo tutte le informazioni necessarie per osservare e controllare lo stato del processo. Gli operatori possono agire sulle variabili del processo per guidarne l’evoluzione.

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,
• IEC 60870-5, uno standard utilizzato sul mercato europeo per la trasmissione di dati tra diversi sistemi SCADA.

Tutte le 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 sensoristica 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 sistema 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, gli SCADA sono nati per rispondere alla necessità di controllo e supervisione degli impianti.

Grazie alla loro versatilità e alle molteplici funzionalità che offrono, contribuiscono all’ottimizzazione dei processi produttivi, al controllo della qualità, alla conformità normativa e alla gestione dei rapporti di produzione.

Trovano applicazione in quasi tutti i tipi di processo industriale e in numerosi settori, dalla plastica al legno, dalla ceramica all’industria 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.

Esempi di industrie che adottano i sistemi SCADA

Per quanto riguarda specificamente le varie applicazioni di questi sistemi, per citarne solo alcune senza essere esaustivi delle infinite potenzialità, il loro utilizzo si dimostra particolarmente efficace in diversi ambiti industriali:

• monitoraggio continuo dei consumi e dei costi energetici dei quadri elettrici a bassa e media tensione;
• nell’utilizzo delle attrezzature locali o remote per la conservazione di materiali organici negli ospedali;
• nella stesura dei rapporti periodici per la Certificazione di Qualità, in piena conformità con le disposizioni legislative vigenti;
• nel controllo del livello di inquinamento da polveri negli impianti industriali e nella riduzione delle emissioni;
• nella garanzia della qualità dei processi di produzione e conservazione nel settore alimentare e dei trattamenti termici dei metalli;
• nella supervisione e certificazione della qualità del processo di produzione nei impianti del settore enologico;

Ogni soluzione presenta delle lievi differenze rispetto alle altre e trova un ambito di applicazione specifico.