Przemysłowy system sterowania - Industrial control system

Przemysłowy system sterowania ( ICS ) to ogólny termin, który obejmuje kilka rodzajów systemów sterowania i związanego z nimi oprzyrządowania używanego do sterowania procesami przemysłowymi . Systemy sterowania mogą mieć różne rozmiary, od kilku modułowych sterowników montowanych na panelach do dużych, połączonych i interaktywnych rozproszonych systemów sterowania (DCS) z wieloma tysiącami połączeń w terenie. Systemy sterowania odbierają dane ze zdalnych czujników mierzących zmienne procesu (PV), porównują zebrane dane z pożądanymi wartościami zadanymi (SP) i wyprowadzają funkcje poleceń, które są używane do sterowania procesem za pomocą końcowych elementów sterowania (FCE), takich jak zawory sterujące .

Większe systemy są zwykle wdrażane przez nadrzędne systemy sterowania i akwizycji danych (SCADA) lub systemy DCS oraz programowalne sterowniki logiczne (PLC), chociaż systemy SCADA i PLC są skalowalne do małych systemów z kilkoma pętlami sterowania. Takie systemy są szeroko stosowane w branżach takich jak przetwórstwo chemiczne, produkcja celulozy i papieru, energetyka, przetwórstwo ropy i gazu oraz telekomunikacja.

Kontrolery dyskretne

Sterowniki montowane na panelu ze zintegrowanymi wyświetlaczami. Wartość procesowa (PV) i wartość zadana (SV) lub wartość zadana są na tej samej skali w celu łatwego porównania. Wyjście regulatora przedstawiane jest jako MV (zmienna manipulowana) w zakresie 0-100%.
Pętla sterowania wykorzystująca sterownik dyskretny. Sygnały polowe to pomiar natężenia przepływu z czujnika i wyjście sterujące do zaworu. Pozycjoner zaworu zapewnia prawidłową pracę zaworu.

Najprostsze systemy sterowania oparte są na małych sterownikach dyskretnych, każdy z pojedynczą pętlą sterowania . Są one zwykle montowane na panelu, co umożliwia bezpośredni podgląd panelu przedniego i zapewnia ręczną interwencję operatora, w celu ręcznego sterowania procesem lub zmiany nastaw sterowania. Pierwotnie były to sterowniki pneumatyczne, z których kilka jest nadal w użyciu, ale prawie wszystkie są teraz elektroniczne.

Można tworzyć dość złożone systemy z sieciami tych sterowników komunikujących się za pomocą standardowych protokołów przemysłowych. Sieć umożliwia korzystanie z lokalnych lub zdalnych interfejsów operatora SCADA oraz umożliwia kaskadowanie i blokowanie sterowników. Jednak wraz ze wzrostem liczby pętli sterowania w projekcie systemu istnieje punkt, w którym użycie programowalnego sterownika logicznego (PLC) lub rozproszonego systemu sterowania (DCS) jest łatwiejsze w zarządzaniu lub bardziej opłacalne.

Rozproszone systemy sterowania

Funkcjonalne poziomy kontroli produkcji. DCS (w tym sterowniki PLC lub RTU) działają na poziomie 1. Poziom 2 zawiera oprogramowanie SCADA i platformę obliczeniową.

Rozproszony system sterowania (DCS) to cyfrowy system sterowania procesem dla procesu lub zakładu, w którym funkcje sterownika i moduły połączeń obiektowych są rozmieszczone w całym systemie. Wraz ze wzrostem liczby pętli sterowania DCS staje się bardziej opłacalny niż sterowniki dyskretne. Dodatkowo system DCS zapewnia nadzór i zarządzanie nad dużymi procesami przemysłowymi. W systemie DCS hierarchia sterowników jest połączona sieciami komunikacyjnymi , co umożliwia scentralizowane sterownie oraz lokalne monitorowanie i sterowanie w zakładzie.

DCS umożliwia łatwą konfigurację sterowania zakładem, takiego jak kaskadowe pętle i blokady, oraz łatwe połączenie z innymi systemami komputerowymi, takimi jak sterowanie produkcją . Umożliwia również bardziej zaawansowaną obsługę alarmów, wprowadza automatyczne rejestrowanie zdarzeń, eliminuje potrzebę fizycznych zapisów, takich jak rejestratory wykresów, i umożliwia połączenie w sieć urządzeń sterujących, a tym samym lokalną lokalizację w stosunku do sterowanego urządzenia w celu ograniczenia okablowania.

System DCS zazwyczaj wykorzystuje specjalnie zaprojektowane procesory jako kontrolery i wykorzystuje do komunikacji zastrzeżone połączenia lub standardowe protokoły. Moduły wejściowe i wyjściowe stanowią elementy peryferyjne systemu.

Procesory odbierają informacje z modułów wejściowych, przetwarzają informacje i decydują o działaniach kontrolnych, które mają być wykonane przez moduły wyjściowe. Moduły wejściowe odbierają informacje z przyrządów czujnikowych w procesie (lub w terenie), a moduły wyjściowe przekazują instrukcje do końcowych elementów sterujących, takich jak zawory sterujące .

Wejścia i wyjścia pole może być w sposób ciągły zmienia sygnałów analogowych np pętli prądowej lub 2 sygnałów stanu, które włączają albo na lub przy , na przykład styków przekaźnika i przełącznika półprzewodnikowego.

Rozproszone systemy sterowania mogą normalnie obsługiwać również magistrale Foundation Fieldbus , PROFIBUS , HART , Modbus i inne cyfrowe magistrale komunikacyjne, które przenoszą nie tylko sygnały wejściowe i wyjściowe, ale także zaawansowane komunikaty, takie jak diagnostyka błędów i sygnały stanu.

Systemy SCADA

Sterowanie nadzorcze i akwizycja danych (SCADA) to architektura systemu sterowania, która wykorzystuje komputery, sieciową komunikację danych i graficzne interfejsy użytkownika do zarządzania procesami na wysokim poziomie. Interfejsy operatorskie, które umożliwiają monitorowanie i wydawanie poleceń procesowych, takich jak zmiany nastaw sterownika, są obsługiwane przez nadrzędny system komputerowy SCADA. Jednak logika sterowania w czasie rzeczywistym lub obliczenia sterownika są wykonywane przez moduły sieciowe, które łączą się z innymi urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak programowalne sterowniki logiczne i dyskretne sterowniki PID, które są połączone z zakładem produkcyjnym lub maszyną.

Koncepcja SCADA została opracowana jako uniwersalny sposób zdalnego dostępu do różnych lokalnych modułów sterowania, które mogą pochodzić od różnych producentów, umożliwiając dostęp za pośrednictwem standardowych protokołów automatyki . W praktyce duże systemy SCADA stały się bardzo podobne w działaniu do rozproszonych systemów sterowania , ale wykorzystujących wiele sposobów komunikacji z zakładem. Mogą kontrolować procesy na dużą skalę, które mogą obejmować wiele lokalizacji i pracować na dużych odległościach. Jest to powszechnie stosowana architektura przemysłowych systemów sterowania, jednak istnieją obawy, że systemy SCADA są podatne na cyberwojnę lub ataki cyberterroryzmu .

Oprogramowanie SCADA działa na poziomie nadzorczym, ponieważ czynności kontrolne są wykonywane automatycznie przez jednostki RTU lub sterowniki PLC. Funkcje sterowania SCADA są zwykle ograniczone do podstawowych interwencji na poziomie nadrzędnym lub nadzorczym. Pętla sterowania ze sprzężeniem zwrotnym jest bezpośrednio kontrolowana przez RTU lub PLC, ale oprogramowanie SCADA monitoruje ogólną wydajność pętli. Na przykład PLC może sterować przepływem wody chłodzącej przez część procesu przemysłowego do poziomu nastawy, ale oprogramowanie systemu SCADA umożliwi operatorom zmianę nastaw dla przepływu. SCADA umożliwia również wyświetlanie i rejestrowanie stanów alarmowych, takich jak utrata przepływu lub wysoka temperatura.

Programowalne sterowniki logiczne

System Siemens Simatic S7-400 w stelażu, od lewej do prawej: zasilacz (PSU), CPU, moduł interfejsu (IM) i procesor komunikacyjny (CP).

PLC mogą obejmować zarówno małe urządzenia modułowe z dziesiątkami wejść i wyjść (I/O) w obudowie zintegrowanej z procesorem, jak i duże, montowane w szafie urządzenia modułowe z liczbą tysięcy wejść/wyjść, które często są połączone w sieć z innymi Systemy PLC i SCADA. Mogą być zaprojektowane do wielu aranżacji wejść i wyjść cyfrowych i analogowych, rozszerzonych zakresów temperatur, odporności na zakłócenia elektryczne oraz odporności na wibracje i uderzenia. Programy sterujące pracą maszyny są zwykle przechowywane w pamięci podtrzymywanej bateryjnie lub nieulotnej .

Historia

Centralna dyspozytornia sprzed ery DCS. Chociaż elementy sterujące są scentralizowane w jednym miejscu, nadal są dyskretne i nie są zintegrowane w jednym systemie.
Pomieszczenie kontrolne DCS, w którym informacje i elementy sterujące zakładu są wyświetlane na ekranach graficznych komputerów. Operatorzy siedzą, ponieważ mogą oglądać i kontrolować dowolną część procesu ze swoich ekranów, zachowując jednocześnie ogólny obraz zakładu.

Sterowanie procesami w dużych zakładach przemysłowych ewoluowało przez wiele etapów. Początkowo sterowanie odbywało się z paneli lokalnych w zakładzie przetwórczym. Wymagało to jednak od personelu obsługi tych rozproszonych paneli i brakowało ogólnego obrazu całego procesu. Kolejnym logicznym rozwiązaniem było przesłanie wszystkich pomiarów zakładu do stałej obsady centralnej dyspozytorni. Często sterowniki znajdowały się za panelami sterowni, a wszystkie wyjścia sterowania automatycznego i ręcznego były indywidualnie przesyłane z powrotem do zakładu w postaci sygnałów pneumatycznych lub elektrycznych. W efekcie była to centralizacja wszystkich zlokalizowanych paneli, z korzyściami w postaci zmniejszonego zapotrzebowania na siłę roboczą i skonsolidowanego przeglądu procesu.

Jednakże, zapewniając centralne sterowanie, ten układ był nieelastyczny, ponieważ każda pętla sterowania miała swój własny sprzęt kontrolera, więc zmiany systemu wymagały rekonfiguracji sygnałów poprzez ponowne orurowanie lub ponowne okablowanie. Wymagało to również ciągłego przemieszczania się operatora w dużej sterowni w celu monitorowania całego procesu. Wraz z pojawieniem się procesorów elektronicznych, szybkich elektronicznych sieci sygnalizacyjnych i elektronicznych wyświetlaczy graficznych stało się możliwe zastąpienie tych dyskretnych sterowników algorytmami komputerowymi, utrzymywanymi w sieci szaf wejścia/wyjścia z własnymi procesorami sterującymi. Mogłyby one być rozmieszczone w całym zakładzie i komunikować się z wyświetlaczami graficznymi w sterowni. Zrealizowano koncepcję sterowania rozproszonego .

Wprowadzenie sterowania rozproszonego umożliwiło elastyczne łączenie i rekonfigurację sterowników zakładu, takich jak pętle kaskadowe i blokady, oraz łączenie z innymi produkcyjnymi systemami komputerowymi. Umożliwił zaawansowaną obsługę alarmów, wprowadził automatyczne rejestrowanie zdarzeń, wyeliminował potrzebę fizycznych zapisów, takich jak rejestratory wykresów, umożliwił połączenie w sieć szaf sterowniczych, a tym samym lokalną lokalizację w zakładzie w celu zmniejszenia przebiegów okablowania, a także zapewnił przeglądy wysokiego poziomu stanu instalacji i poziomy produkcji. W przypadku dużych systemów sterowania ukuto ogólną nazwę handlową rozproszonego systemu sterowania (DCS) w odniesieniu do zastrzeżonych systemów modułowych wielu producentów, które integrują szybkie sieci oraz pełny zestaw wyświetlaczy i szaf sterowniczych.

Podczas gdy system DCS został dostosowany do potrzeb dużych ciągłych procesów przemysłowych, w branżach, w których logika kombinatoryczna i sekwencyjna była podstawowym wymogiem, sterownik PLC wyewoluował z potrzeby zastąpienia stojaków przekaźników i timerów używanych do sterowania sterowanego zdarzeniami. Stare układy sterowania były trudne do przekonfigurowania i debugowania, a sterowanie PLC umożliwiało łączenie sygnałów w sieć do centralnego obszaru sterowania z elektronicznymi wyświetlaczami. Sterowniki PLC zostały po raz pierwszy opracowane dla przemysłu motoryzacyjnego na liniach produkcyjnych pojazdów, gdzie logika sekwencyjna stawała się bardzo złożona. Wkrótce został on zastosowany w wielu innych zastosowaniach związanych ze zdarzeniami, tak zróżnicowanymi, jak prasy drukarskie i stacje uzdatniania wody.

Historia SCADA jest zakorzeniona w zastosowaniach dystrybucyjnych, takich jak rurociągi energetyczne, gaz ziemny i wodociągi, gdzie istnieje potrzeba gromadzenia zdalnych danych za pośrednictwem potencjalnie zawodnych lub przerywanych łączy o niskiej przepustowości i dużych opóźnieniach. Systemy SCADA wykorzystują sterowanie w pętli otwartej w lokalizacjach, które są bardzo odseparowane geograficznie. System SCADA wykorzystuje zdalne jednostki terminalowe (RTU) do wysyłania danych nadzorczych z powrotem do centrum sterowania. Większość systemów RTU zawsze miała pewną zdolność do obsługi lokalnego sterowania, gdy stacja główna nie jest dostępna. Jednak z biegiem lat systemy RTU stały się coraz bardziej zdolne do obsługi lokalnego sterowania.

Granice między systemami DCS i SCADA/PLC zacierają się w miarę upływu czasu. Ograniczenia techniczne, które kierowały projektami tych różnych systemów, nie są już tak dużym problemem. Wiele platform PLC może teraz całkiem dobrze funkcjonować jako małe systemy DCS, korzystając ze zdalnych wejść/wyjść i są na tyle niezawodne, że niektóre systemy SCADA faktycznie zarządzają sterowaniem w pętli zamkniętej na duże odległości. Wraz z rosnącą szybkością współczesnych procesorów, wiele produktów DCS posiada pełną linię podsystemów podobnych do sterowników PLC, które nie były oferowane w momencie ich początkowego tworzenia.

W 1993 roku, wraz z wydaniem normy IEC-1131, która później stała się IEC-61131-3 , branża przeszła w kierunku zwiększonej standaryzacji kodu za pomocą oprogramowania sterującego wielokrotnego użytku, niezależnego od sprzętu. Po raz pierwszy w przemysłowych systemach sterowania stało się możliwe programowanie obiektowe (OOP). Doprowadziło to do rozwoju zarówno programowalnych sterowników automatyki (PAC), jak i komputerów przemysłowych (IPC). Są to platformy zaprogramowane w pięciu znormalizowanych językach IEC: logika drabinkowa, tekst strukturalny, blok funkcyjny, lista instrukcji i sekwencyjny schemat funkcyjny. Można je również programować w nowoczesnych językach wysokiego poziomu, takich jak C lub C++. Dodatkowo akceptują modele opracowane w narzędziach analitycznych, takich jak MATLAB i Simulink . W przeciwieństwie do tradycyjnych sterowników PLC, które wykorzystują zastrzeżone systemy operacyjne, IPC wykorzystują Windows IoT . Komputery IPC mają tę zaletę, że mają mocne wielordzeniowe procesory o znacznie niższych kosztach sprzętu niż tradycyjne sterowniki PLC i dobrze pasują do wielu elementów, takich jak montaż na szynie DIN, w połączeniu z ekranem dotykowym jako komputer panelowy lub komputer wbudowany. Nowe platformy sprzętowe i technologie znacząco przyczyniły się do ewolucji systemów DCS i SCADA, jeszcze bardziej zacierając granice i zmieniając definicje.

Bezpieczeństwo

SCADA i sterowniki PLC są podatne na cyberataki. Demonstracja technologii wspólnych zdolności rządu USA (JCTD) znana jako MOSAICS (większa świadomość sytuacyjna dla przemysłowych systemów sterowania) jest wstępną demonstracją zdolności do obrony cyberbezpieczeństwa dla systemów sterowania infrastrukturą krytyczną. MOSAICS odpowiada na potrzeby operacyjne Departamentu Obrony (DOD) w zakresie zdolności cyberobrony do obrony systemów kontroli infrastruktury krytycznej przed cyberatakami, takich jak energia, woda i ścieki oraz kontrola bezpieczeństwa, które wpływają na środowisko fizyczne. Prototyp MOSAICS JCTD zostanie udostępniony przemysłowi komercyjnemu podczas Industry Days w celu dalszych badań i rozwoju, podejście mające na celu doprowadzenie do innowacyjnych, zmieniających zasady gry możliwości w zakresie cyberbezpieczeństwa systemów kontroli infrastruktury krytycznej.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki