Система производственного контроля - Industrial control system

Система управления производством ( ICS ) - это общий термин, который охватывает несколько типов систем управления и связанных с ними контрольно-измерительных приборов, используемых для управления производственными процессами . Системы управления могут варьироваться по размеру от нескольких модульных контроллеров, устанавливаемых на панели, до крупных взаимосвязанных и интерактивных распределенных систем управления (DCS) с тысячами полевых подключений. Системы управления получают данные от удаленных датчиков, измеряющих переменные процесса (PV), сравнивают собранные данные с желаемыми заданными значениями (SP) и получают командные функции, которые используются для управления процессом через конечные элементы управления (FCE), такие как регулирующие клапаны .

Более крупные системы обычно реализуются системами диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) или DCS и программируемыми логическими контроллерами (PLC), хотя системы SCADA и PLC масштабируются до небольших систем с небольшим количеством контуров управления. Такие системы широко используются в таких отраслях, как химическая переработка, производство целлюлозы и бумаги, производство электроэнергии, переработка нефти и газа и телекоммуникации.

Дискретные контроллеры

Контроллеры, монтируемые на панели, со встроенными дисплеями. Значение процесса (PV), заданное значение (SV) или заданное значение находятся на одной шкале для облегчения сравнения. Выходной сигнал контроллера отображается как MV (регулируемая переменная) в диапазоне 0–100%.
Контур управления с использованием дискретного контроллера. Полевые сигналы - это измерение расхода от датчика и управляющий выход на клапан. Позиционер клапана обеспечивает правильную работу клапана.

Простейшие системы управления основаны на небольших дискретных контроллерах с одним контуром управления каждый. Обычно они монтируются на панели, что обеспечивает прямой обзор передней панели и возможность ручного вмешательства оператора, либо для ручного управления процессом, либо для изменения контрольных уставок. Первоначально это были пневматические контроллеры, некоторые из которых все еще используются, но сейчас почти все они электронные.

Можно создать довольно сложные системы с сетями этих контроллеров, обменивающихся данными с использованием стандартных протоколов. Сеть позволяет использовать локальные или удаленные интерфейсы оператора SCADA и обеспечивает каскадирование и блокировку контроллеров. Однако по мере увеличения количества контуров управления в конструкции системы наступает момент, когда использование программируемого логического контроллера (ПЛК) или распределенной системы управления (DCS) становится более управляемым или экономичным.

Распределенные системы управления

Уровни функционального производственного контроля. DCS (включая ПЛК или RTU) работают на уровне 1. Уровень 2 содержит программное обеспечение SCADA и вычислительную платформу.
Основная статья: Распределенная система управления

Распределенная система управления (DCS) - это цифровая система управления процессом для процесса или установки, в которой функции контроллера и модули полевого подключения распределены по всей системе. По мере роста числа контуров управления DCS становится более рентабельной, чем дискретные контроллеры. Кроме того, DCS обеспечивает контроль и управление крупными производственными процессами. В РСУ иерархия контроллеров связана сетями связи , что позволяет централизовать диспетчерские и локальный контроль и управление на предприятии.

DCS позволяет легко конфигурировать средства управления производством, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими компьютерными системами, такими как управление производством . Он также обеспечивает более сложную обработку аварийных сигналов, вводит автоматическую регистрацию событий, устраняет необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, и позволяет объединить оборудование управления в сеть и тем самым размещать его локально по отношению к управляемому оборудованию, чтобы уменьшить количество кабелей.

DCS обычно использует специально разработанные процессоры в качестве контроллеров и использует либо проприетарные соединения, либо стандартные протоколы для связи. Модули ввода и вывода образуют периферийные компоненты системы.

Процессоры получают информацию от модулей ввода, обрабатывают информацию и решают управляющие действия, которые должны выполняться модулями вывода. Модули ввода получают информацию от измерительных приборов в процессе (или поле), а модули вывода передают инструкции конечным элементам управления, таким как регулирующие клапаны .

Полевые входы и выходы могут быть либо непрерывным изменение аналоговых сигналов например , токовой петли или 2 сигналов состояния , которые переключают либо на или выключен , например, контактах реле или полупроводниковый переключатель.

Распределенные системы управления обычно могут также поддерживать Foundation Fieldbus , PROFIBUS , HART , Modbus и другие шины цифровой связи, которые передают не только входные и выходные сигналы, но также расширенные сообщения, такие как диагностика ошибок и сигналы состояния.

Системы SCADA

Основная статья: SCADA

Диспетчерский контроль и сбор данных (SCADA) - это архитектура системы управления, которая использует компьютеры, сетевую передачу данных и графические пользовательские интерфейсы для высокоуровневого диспетчерского управления процессами. Операторские интерфейсы, которые позволяют контролировать и выдавать команды процесса, такие как изменения уставки контроллера, обрабатываются через компьютерную систему диспетчерского управления SCADA. Однако логика управления в реальном времени или вычисления контроллера выполняются сетевыми модулями, которые подключаются к другим периферийным устройствам, таким как программируемые логические контроллеры и дискретные контроллеры PID, которые взаимодействуют с технологическим оборудованием или оборудованием.

Концепция SCADA была разработана как универсальное средство удаленного доступа к множеству локальных модулей управления, которые могут быть от разных производителей, обеспечивая доступ через стандартные протоколы автоматизации . На практике большие системы SCADA выросли и стали очень похожи на распределенные системы управления по функциям, но с использованием нескольких средств взаимодействия с предприятием. Они могут управлять крупномасштабными процессами, которые могут включать несколько сайтов, и работать на больших расстояниях. Это широко используемая архитектура промышленных систем управления, однако есть опасения, что системы SCADA уязвимы для кибервойны или кибертеррористических атак.

Программное обеспечение SCADA работает на супервизорном уровне, поскольку управляющие действия выполняются автоматически RTU или PLC. Функции управления SCADA обычно ограничиваются вмешательством на базовом или контролирующем уровне. Контур управления с обратной связью напрямую управляется RTU или PLC, но программное обеспечение SCADA контролирует общую производительность контура. Например, ПЛК может управлять потоком охлаждающей воды через часть промышленного процесса до заданного уровня, но системное программное обеспечение SCADA позволяет операторам изменять заданные значения для потока. SCADA также позволяет отображать и записывать аварийные ситуации, такие как потеря потока или высокая температура.

Программируемые логические контроллеры

Основная статья: Программируемый логический контроллер
Система Siemens Simatic S7-400 в стойке, слева направо: блок питания (PSU), CPU, интерфейсный модуль (IM) и коммуникационный процессор (CP).

ПЛК могут варьироваться от небольших модульных устройств с десятками входов и выходов (I / O) в корпусе, интегрированном с процессором, до больших модульных устройств, монтируемых в стойку, с количеством тысяч входов / выходов, которые часто объединены в сеть с другими. Системы PLC и SCADA. Они могут быть разработаны для различных конфигураций цифровых и аналоговых входов и выходов, расширенного температурного диапазона, устойчивости к электрическим шумам и устойчивости к вибрации и ударам. Программы для управления работой машины обычно хранятся в энергонезависимой памяти с резервным питанием от батарей .

История

Центральная диспетчерская до эпохи DCS. Хотя элементы управления централизованы в одном месте, они по-прежнему дискретны и не интегрированы в одну систему.
Диспетчерская DCS, где информация об установке и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят, так как они могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор установки.

Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление осуществлялось с локальных панелей технологической установки. Однако для этого требовалось, чтобы персонал занимался этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех измерений станции в центральную диспетчерскую с постоянным персоналом. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные управляющие сигналы индивидуально передавались обратно на завод в виде пневматических или электрических сигналов. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами уменьшения потребности в людях и консолидированного обзора процесса.

Однако, обеспечивая централизованное управление, эта компоновка была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, поэтому изменения в системе требовали перенастройки сигналов путем перенастройки трубопроводов или переназначения проводки. Также требовалось постоянное движение оператора в большой диспетчерской, чтобы контролировать весь процесс. С появлением электронных процессоров, высокоскоростных сетей электронной сигнализации и электронных графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода / вывода с собственными процессорами управления. Они могут быть распределены по предприятию и сообщаться с графическими дисплеями в диспетчерской. Реализована концепция распределенного управления .

Внедрение распределенного управления позволило гибко соединять и переконфигурировать средства управления производством, такие как каскадные петли и блокировки, а также взаимодействие с другими производственными компьютерными системами. Он обеспечил сложную обработку аварийных сигналов, ввел автоматическую регистрацию событий, устранил необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, позволил объединить стойки управления в сеть и, таким образом, локально расположить их на заводе, чтобы сократить количество прокладок кабелей, и обеспечил высокоуровневые обзоры состояния завода и уровни производства. Для больших систем управления было придумано общее коммерческое название распределенная система управления (DCS) для обозначения проприетарных модульных систем от многих производителей, которые объединяли высокоскоростные сети и полный набор дисплеев и стоек управления.

В то время как РСУ была адаптирована для удовлетворения потребностей крупных непрерывных промышленных процессов, в отраслях, где комбинаторная и последовательная логика была основным требованием, ПЛК возникла из-за необходимости замены стоек реле и таймеров, используемых для управления событиями. Старые элементы управления было трудно перенастроить и отладить, а управление ПЛК позволило организовать передачу сигналов в центральную зону управления с электронными дисплеями. ПЛК были впервые разработаны для автомобильной промышленности на производственных линиях автомобилей, где последовательная логика становилась очень сложной. Вскоре он был принят в большом количестве других приложений, ориентированных на события, таких как печатные машины и водоочистные сооружения.

История SCADA уходит корнями в распределительные приложения, такие как трубопроводы электроэнергии, природного газа и воды, где существует потребность в сборе удаленных данных через потенциально ненадежные или прерывистые каналы с низкой пропускной способностью и высокой задержкой. В системах SCADA используется управление без обратной связи с объектами, которые географически сильно разнесены. Система SCADA использует удаленные оконечные устройства (RTU) для отправки контрольных данных обратно в центр управления. Большинство систем RTU всегда обладали некоторой способностью осуществлять локальное управление, когда главная станция недоступна. Однако с годами системы RTU становились все более и более способными осуществлять локальное управление.

Границы между системами DCS и SCADA / PLC со временем стираются. Технические ограничения, которые лежали в основе конструкции этих различных систем, больше не являются большой проблемой. Многие платформы ПЛК теперь могут работать достаточно хорошо в качестве небольших DCS с использованием удаленного ввода-вывода и достаточно надежны, чтобы некоторые системы SCADA фактически управляли замкнутым контуром управления на больших расстояниях. С увеличением скорости современных процессоров многие продукты DCS имеют полную линейку подсистем, подобных ПЛК, которые не предлагались при их первоначальной разработке.

В 1993 году с выпуском стандарта IEC-1131, который позже стал стандартом IEC-61131-3 , отрасль перешла к усилению стандартизации кода с помощью многоразового аппаратно-независимого управляющего программного обеспечения. Впервые объектно-ориентированное программирование (ООП) стало возможным в промышленных системах управления. Это привело к разработке как программируемых контроллеров автоматизации (PAC), так и промышленных ПК (IPC). Это платформы, запрограммированные на пяти стандартизированных языках IEC: релейная логика, структурированный текст, функциональный блок, список инструкций и последовательная функциональная диаграмма. Они также могут быть запрограммированы на современных языках высокого уровня, таких как C или C ++. Кроме того, они принимают модели, разработанные в аналитических инструментах, таких как MATLAB и Simulink . В отличие от традиционных ПЛК, которые используют проприетарные операционные системы, IPC используют Windows IoT . IPC обладают преимуществом мощных многоядерных процессоров с гораздо более низкими затратами на оборудование, чем традиционные ПЛК, и хорошо подходят для различных форм-факторов, таких как монтаж на DIN-рейку, в сочетании с сенсорным экраном в качестве панельного ПК или в качестве встроенного ПК. Новые аппаратные платформы и технологии внесли значительный вклад в эволюцию систем DCS и SCADA, еще больше размывая границы и меняя определения.

Безопасность

SCADA и ПЛК уязвимы для кибератак. Совместная демонстрация технологий правительства США (JCTD), известная как MOSAICS (Повышение ситуационной осведомленности для промышленных систем управления), является первой демонстрацией защитных возможностей кибербезопасности для систем управления критически важной инфраструктурой. MOSAICS удовлетворяет оперативные потребности Министерства обороны в возможностях киберзащиты для защиты систем управления критически важной инфраструктурой от кибератак, таких как энергоснабжение, водоснабжение и сточные воды, а также меры безопасности, влияющие на физическую среду. Прототип MOSAICS JCTD будет передан коммерческой отрасли в рамках Дней индустрии для дальнейших исследований и разработок. Этот подход призван привести к созданию инновационных, изменяющих правила игры возможностей кибербезопасности для систем управления критически важной инфраструктурой.

Смотрите также

использованная литература

Всеобщее достояние Эта статья включает материалы, являющиеся  общественным достоянием, с веб-сайта Национального института стандартов и технологий https://www.nist.gov .

дальнейшее чтение

внешние ссылки