Промышленные системы управления

Промышленные системы управления

Введение

Промышленные системы управления (ICS) это общий термин, используемый для обозначения нескольких типов данных систем , включая системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), распределённые системы управления (DCS) и другие виды систем управления, которые можно встретить в промышленных секторах критически важных инфраструктур, например, поставленный на полозья программируемый логический контроллер (PLC). ICS-системы обычно используют в таких сферах хозяйства как электротехническая, нефтяная и газовая, химическая, фармацевтическая промышленность, водное и водоочистное хозяйство, производство древесной массы и бумаги, еды и напитков, а также производство автомобилей, самолетов, товаров длительного пользования и др.

Такие системы управления очень важны для работы критически важных инфраструктур, так как они обычно взаимосвязаны и взаимозависимы. Также следует заметить, что около 90% критически важных инфраструктур страны принадлежат и управляются частными компаниями. Государственные службы также обслуживают многие из вышеупомянутых промышленных процессов, например управление воздушным движением или транспортировка материалов (почта). В этом реферате представлен общий взгляд на SCADA, DCS и PLC-системы, включая обзор архитектуры и ее компонентов. Представлено несколько схем с изображениями связей в сетях и типичных для каждой системы компонентов, чтобы упростить понимание этих систем. Не стоит забывать, что некоторые варианты ICS-систем могут совмещать в себе свойства и DCS и SCADA-систем, тем самым стирая грани между этими двумя типами.

1.Обзор SCADA, DCS, и PLC

системы представляют собой распределённые системы, используемые для управления географически рассредоточенными активами, когда централизованное управление и сбор данных критически необходимы для работы. Они используются в распределительных системах, например в системах электроснабжения, водоснабжения и канализации, нефтепроводных и газопроводных системах, железнодорожных сетях. В центрах управления SCADA-систем через обширные сети коммуникации производится отслеживание и управление отдаленными объектами, на предмет аварий и статуса процессов. По данным, полученных из отдаленных объектов, автоматизированный центр управления может отдавать команды устройствам управления этих отдаленных объектов, которые часто называют периферийными устройствами. Периферийные устройства управляют местными процессами, например, открывают и закрывают клапаны, получают данные с датчиков и отслеживают окружение на предмет аварийных ситуаций.системы используются для управления промышленными объектами и процессами. DCS-системы создаются таким способом, что архитектура управления состоит из уровня управления, на котором ведется наблюдение за множеством встроенных подсистем, ответственных за детали местных производственных процессов. Контроль над процессами и продуктами обычно осуществляется за счет двусторонней связи с узлами управления. Для того чтобы поддерживать эти процессы и продукты на нужном уровне, в подсистемах устанавливаются специальные PLC-контроллеры, с соответствующими производными настройками, чтобы обеспечить нужный уровень производства, а также автокоррекции при сбоях в работе. DCS-системы широко используются в промышленности, основанной на исполнении технологических процессов.

Часто используются, специализированные компьютеры, называемые программируемыми логическими диспетчерами (PLCs), для синхронизации потока входных сигналов от (физических) датчиков с потоком выходных сигналов на устройства вывода информации. Это позволяет точно контролировать действия, осуществляя точный контроль почти за любым производственным процессомконтроллеры это компьютерные, твердотельные устройства, контролирующие промышленные процессы и оборудование. Они используются для управления отдельными процессами, например сборкой автомобилей на конвейерах или работой сажеобдувочных аппаратов на электростанциях. PLC-контроллеры широко используются в почти всех промышленных процессах. В производственной промышленности, основанной на процессах, обычно используется два главных типа процессов:

·              Непрерывные процессы производства. Эти процессы производятся непрерывно, часто в одном непрерывном процессе создаются последовательно разные стадии продукта. Типичными примерами непрерывных процессов производства являются подача топлива или пара на электростанциях, подача нефти на нефтеперегонных заводах, дистилляция на химических предприятиях.

·              Периодические процессы производства. Эти процессы делятся на отдельные стадии, зависимо от количества материала. У них есть конкретные точки начала и конца с возможностью остановки операций во время промежуточных стадий. Типичным примером периодического процесса производства можно назвать производство пищи.

В производстве, состоящем из отдельных процессов, осуществляется несколько действий на одном устройстве для создания готового продукта. Типичными примерами такого типа производства может служить сборка механических и электрических частей и их обработка.

В промышленности, основанной на постоянных процессах, и в производстве, состоящем из отдельных процессов, используются те же типы систем управления, датчиков и сетей. Некоторые предприятия включают элементы обоих типов производства.

Системы управления, используемые в промышленности и более распределенные системы очень похожи по своей сути, но в то же время отличаются в некоторых аспектах. Одним из главных отличий является то, что DCS и PLC-контролируемые подсистемы обычно используются в более компактных или цетраллизированных предприятиях в сравнении с объектами SCADA-систем. Связь в DCS и PLC-системах обычно осуществляется посредством локальных сетей (LAN), так как они более надежные и быстрые в сравнении с отдаленными системами коммуникации, которые используются в SCADA-системах.

На самом деле SCADA-системы специально разработаны таким образом, чтобы справляться с такими проблемами отдаленных систем связи как задержки в передачи информации или потеря данных. DCS и PLC-системы обычно используют более централлизированный контроль над процессами, чем SCADA-системы, так как управление производством обычно сложнее, чем управление отдаленными процессами.

2. Работа ICS-систем

Основы работы ICS-систем показаны на рисунке 1. Ключевыми компонентами являются:

·              Узел управления. Узел управления состоит из датчиков измерения, контроллера (включает оборудование и исполнительные механизмы, например PLC-контроллеры, клапаны, выключатели, рычаги, двигатели) и системы переменных. Параметры передаются контроллеру от сенсоров. Контроллер обрабатывает сигналы и создает соответствующие регулируемые переменные.

·              Человеко-машинный интерфейс (HMI). Операторы и инженеры используют HMI для наблюдения, управления и изменения заданных значений, алгоритмов, регулирования и установки параметров контроллера. На HMI также демонстрируются данные о статусе и история процесса.

·              Программа отдаленного диагностирования и поддержки. Программы отдаленного диагностирования и поддержки используются для того, чтобы предотвращать, распознавать и исправлять сбои в работе.

Обычно ICS-системы состоят из множества узлов управления, человеко-машинных интерфейсов и программ удаленного диагностирования и поддержки, интегрированных в массивы сетевых протоколов в многослойных сетях. Иногда узлы управления могут быть вложенными и/или каскадными - когда заданные значения для одного узла основываются на переменных, созданных другим узлом.

Главные узлы и узлы управления низших уровней работают непрерывно на протяжении всего процесса со временем цикла от миллисекунд до нескольких минут.

. Компоненты управления

Список главных компонентов управления ICS-систем:

·              Контрольный сервер. На контрольном сервере располагается комплект управляющих программ DCS и PLC-систем, который связан и контрольными устройствами низших уровней. Контрольный сервер координирует работу всех контрольных модулей в ICS-системах.

·              SCADA-сервер и главный сетевой терминал (MTU). SCADA-сервер представляет собой ведущее устройство SCADA-системы. Устройства связи с объектом и PLC-контроллеры, расположенные в удаленных точках, являются подчиненными устройствами.

·              Устройство связи с объектом (RTU). RTU-устройства (часто также называемые дистанционными терминалами), являются специальными устройствами управления и сбора данных, разработанными для поддержки удаленных объектов SCADA-систем. RTU-устройства являются периферийными устройствами, обычно оборудованы радио-передатчиками для работы в ситуациях, когда кабельное подключение невозможно.

·              Программируемый логический контроллер (PLC). PLC-устройства это небольшие промышленные компьютеры, созданные для выполнения логических функций электрической аппаратуры (реле, переключателей, механических таймеров). PLC-устройства можно обнаружить в контроллерах с возможностью управления комплексными процессами, и они используются в основном в SCADA и DCS-системах. Другие типы контроллеров, работающих на отдаленных объектах, это контроллеры процессов и RTU-устройства. Они предоставляют те же функции управления, что и PLC-контроллеры, но созданы для управления конкретными специфическими процессами. В SCADA-среде PLC-контроллеры часто используются как периферийные устройства, так как они более дешевые, многофункциональные, с большими возможностями настройки и приспособления, чем созданные для конкретных заданий RTU-устройства.

·              Интеллектуальные электронные устройства (IED). IED-устройства это «умные» датчики/исполнительные механизмы, наделенные интеллектом, необходимым для сбора данных, коммуникации с другими устройства, выполнения местных процессов и управления ими. Использование IED-устройств в SCADA и DCS-системах позволяет совершать автоматизированный контроль на местном уровне.

·              Человеко-машинный интерфейс (HMI). Человеко-машинный интерфейс являет собой пакет программ и оборудование, что позволяет человеку-оператору отслеживать статус контролируемого процесса, корректировать настройки процесса для изменения заданных действий, и вручную управлять процессом в критических ситуациях. HMI-интерфейс также позволяет инженеру или оператору изменять заданные значения или алгоритмы и параметры контроллера. На HMI также демонстрируются данные о статусе и истории процесса, сообщения и другая информация для операторов, администраторов. Расположение, принцип работы и сам интерфейс могут существенно отличаться в разных типах HMI.

·              Журнал данных. Журнал данных является централизованной базой данных для записи всей информации о процессах в рамках ICS-системы. Информация из журнала может быть использована для различных исследований, от создания статистики до планирования на корпоративном уровне.

·              Сервер ввода-вывода (IO). Сервер ввода-вывода это компонент управления, ответственный за сбор, буферизацию и доступ к информации о процессах, полученной от других элементов, таких как PLC, RTU и IED-устройства. Сервер ввода-вывода может находиться на контрольном сервере или отдельном компьютере. Серверы ввода-вывода также используются для соединения других компонентов управления, например HMI-интерфейсов или сервера контроля.

4. Компоненты сетей

Для каждого сетевого уровня в рамках иерархии системы управления существуют свои характеристики. Сетевая топология в различных конфигурациях ICS-систем отличается в зависимости от современных систем, использующих интернет и интегрированные системы на корпоративном уровне. Слияние контрольных и корпоративных сетей позволяет инженерам отслеживать и управлять системами управления извне сети этих систем. Такая связь позволяет менеджерам высшего звена получать нужные данные о промышленном процессе. Ниже представлен список главных компонентов ICS-сетей, независимо от используемой топологии:

·              Промышленная сеть. Промышленная сеть связывает датчики и другие элементы с PLC-устройствами и другими контроллерами. Устройства соединяются друг с другом через контроллер промышленной сети через различные протоколы.

·              Контрольная сеть. Контрольная сеть осуществляет соединение между главным уровнем управления и низшими контрольными модулями.

·              Маршрутизаторы. Маршрутизатор являет собой устройство коммуникации для передачи сигналов между двумя сегментами сети. Обычно используются для соединения LAN-сетей с WAN-сетями или соединения MTU-терминалов с RTU-устройствами.

·              Фаервол. Фаервол обеспечивает защиту устройств, подключенных к сети, посредством отслеживания и управления сигнальными пакетами, используя заданные ранее фильтры.

·              Модемы. Модемы являют собой устройства, предназначенные для превращения последовательных цифровых данных и соответствующих сигналов для передачи по телефонной линии, чтобы сделать возможным связь между устройствами. Модемы часто используются в SCADA-системах для осуществления дальних последовательных связей между MTU-терминалами и периферийными устройствами. Также они используются в SCADA-системах, DCS и PLC-системах для эксплуатации и технического обслуживания функций, таких как введение команд или изменение параметров, в целях диагностирования.

·              Точки удаленного доступа. Точки удаленного доступа это отдельные устройства, территории или места контрольной сети, используемые для удаленного управления системами управления и доступа к данным о процессах.

5. SCADA системы

SCADA системы предназначены для сбора информации на местах, передачи ее в центральную диспетчерскую объекта, а также отображения информации оператору, тем самым, позволяя оператору контролировать или управлять всей системой из единого центра в режиме реального времени. Исходя из сложности и настройки системы, контроль каждой отдельной системы, операции или задачи может быть автоматическим, или она может быть выполнена с помощью команды оператора.

Системы SCADA состоят из аппаратных и программных обеспечений. Аппаратные средства включают MTU, помещенный в центр контроля, оборудование связи (например, радио, телефонная линия, кабель или спутник), и одной, или более распределенных промышленных сетей, состоящие или из RTU или из PLC, который управляет датчиками и/или приводами механизмов. MTU хранит и обрабатывает информацию от входов и выходов RTU, в то время как RTU или PLC управляет процессом. Коммуникационные аппаратные средства позволяют передать информацию и данные между MTU и RTU или PLC. Программное обеспечение предназначено для того, чтобы дать указание системе, что и когда контролировать, какие диапазоны параметров приемлемы, и какое управляющее воздействие выдать при выходе параметра за диапазон.

Четыре основные архитектуры, показанные на рисунке 3 могут быть дополнительно увеличена с помощью специальных устройств связи для организации обмена связи, а также переключение сообщение и буферизации. Большие системы SCADA, содержащие сотни RTU,, часто используют суб-MTU, чтобы облегчить нагрузку на основной MTU.

Рисунок 4 показывает пример реализации системы SCADA. Это конкретная система SCADA состоит из первичного центра управления и трех сетей коммуникации. Второй резервный центр управления обеспечивает резервирование в случае неисправности основного центра управления. Тип соединения точка-точка используются для всех центром управления. Третья сеть является локальной для центра управления и использует глобальную сеть (WAN) для связи. Региональный центр управления находится выше основного центра управления для высшего уровня диспетчерского управления. Корпоративная сеть имеет доступ ко всем центров управления через WAN, и сети на местах могут быть доступны удаленно для операций по устранению неполадок и техническому обслуживанию.

6. Распределенные системы управления и PLC

используются для управления системами производства в пределах того же географического расположения, что и отрасли промышленности, таких как нефтеперерабатывающие заводы, воды и очистки сточных вод, генерирующих электроэнергию, химических заводов и фармацевтической переработке. Эти системы, как правило, являются частью дискретной системы управления процессом. DCS использует централизованную систему диспетчерского управления, посредником которой является группа локализованных контроллеров, которые разделяют общие задачи управления производственным процессом. По модульности системы производства, DCS уменьшают влияние одного сбоя на систему в целом.

ПЛК используются в обоих системах SCADA и DCS, компоненты управления основаны на общей иерархической системе, чтобы обеспечить местное управление процессами с помощью контроля обратной связи, как описано в разделах выше. В случае SCADA систем, они обеспечивают ту же функциональность RTU. При использовании в DCS, ПЛК реализованы как локальные контроллеры в рамках следящей схемы управления. ПЛК также реализованы в качестве первичных компонентов небольших конфигураций системы управления. ПЛК имеют программируемую пользователем память для хранения команд с целью реализации конкретных функций, таких как управление вводом / выводом, логики, временной, подсчета, три режима пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования, связи, арифметики. Рисунок 5показывает как контроль производственного процесса выполняется с помощью ПЛК через сеть полевой шины. ПЛК доступен через программный интерфейс, расположенный на инженерной станции, и данные хранятся в буфере данных, все соединены по локальной сети.

7. Промышленные сектора и их взаимозависимость

Системы SCADA и DCS часто соединены вместе. Это случай для центров управления электрической мощности и электрической энергии генерирующих мощностей. Хотя операции объекта генерации электрической энергии контролируется DCS, DCS должны взаимодействовать с системой SCADA для координации производства с требованиями передачи и распределения.

Критические инфраструктуры часто называют «система систем», из-за взаимозависимости, которые существуют между ее различных промышленными секторами, а также взаимосвязи между деловыми партнерами. Критические инфраструктуры весьма взаимосвязаны и взаимозависимы в сложных отношениях, как физически, так и через целый ряд информационных и коммуникационных технологий. Инцидент в одной инфраструктуре может прямо и косвенно влиять на другие инфраструктуры через каскадные неполадки. Электрическая энергия часто считается одним из самых распространенных источников сбоев взаимозависимыми критических инфраструктур.

Заключение

В настоящее время, для фирм-производителей, задача систем управления переместилась от увеличения производительности и сокращения затрат, к более широкомасштабным проблемам, таким как увеличение качества и гибкости в производственном процессе.

Старый акцент, при использовании систем управления, на увеличение производительности и сокращение затрат, как замечалось, был близоруким, так как кроме этого необходимо обеспечить производство квалифицированной рабочей силой, выполняющей ремонт и управление машинами. Кроме того, начальные затраты на системы управления были высоки и часто не окупались к тому времени, когда новые производственные процессы заменяли старые.

Другое главное изменение в системах управления, увеличение акцента на гибкость и обратимость производственного процесса. Изготовители все более и более настаивают на способности легко перестраиваться с производства Продукта А на производство Продукта B, не выполняя полного переоборудования поточных линий.

Приложение

Рис 1. ICS Операция

Рис. 2. SCADA Генеральный план

Рис. 3. Basic SCADA Топологии

Рис 5. PLC Пример реализации