Промышленная система управления ( ПСУ ) — это электронная система управления и связанные с ней приборы, используемые для управления производственными процессами . Системы управления могут варьироваться по размеру от нескольких модульных контроллеров, монтируемых на панели, до крупных взаимосвязанных и интерактивных распределенных систем управления (РСУ) со многими тысячами полевых соединений. Системы управления получают данные от удаленных датчиков, измеряющих переменные процесса (PV), сравнивают собранные данные с желаемыми заданными значениями (SP) и выводят командные функции, которые используются для управления процессом через конечные элементы управления (FCE), такие как регулирующие клапаны .
Более крупные системы обычно реализуются с помощью систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), или РСУ, и программируемых логических контроллеров (ПЛК), хотя системы SCADA и ПЛК масштабируются до небольших систем с небольшим количеством контуров управления. [1] Такие системы широко используются в таких отраслях, как химическая обработка, производство целлюлозы и бумаги, энергетика, переработка нефти и газа, а также телекоммуникации.
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 обеспечивает средства ручного вмешательства оператора либо для ручного управления процессом, либо для изменения уставок управления. Первоначально это были пневматические контроллеры, некоторые из которых используются до сих пор, но сейчас почти все они электронные.
С помощью сетей этих контроллеров, взаимодействующих с использованием протоколов отраслевых стандартов, можно создать довольно сложные системы. Сеть позволяет использовать локальные или удаленные интерфейсы оператора SCADA, а также 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 (РСУ) становится более управляемым или экономически эффективным.
Распределенная система управления (РСУ) — это цифровая система управления технологическим процессом (РСУ) для процесса или установки, в которой функции контроллера и модули полевого подключения распределены по всей системе. По мере роста количества контуров управления РСУ становится более рентабельной, чем дискретные контроллеры. Кроме того, РСУ обеспечивает контроль и управление крупными промышленными процессами. В РСУ иерархия контроллеров соединена сетями связи , что обеспечивает возможность централизованного диспетчерского пункта и локального мониторинга и управления на предприятии.
РСУ позволяет легко настраивать средства управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими компьютерными системами, такими как управление производством . [2] Это также обеспечивает более сложную обработку сигналов тревоги, вводит автоматическую регистрацию событий, устраняет необходимость в физических записях, таких как самописцы, и позволяет подключать оборудование управления к сети и, таким образом, размещать его локально по отношению к управляемому оборудованию, чтобы уменьшить количество кабелей.
РСУ обычно использует специально разработанные процессоры в качестве контроллеров и использует либо собственные межсоединения, либо стандартные протоколы для связи. Модули ввода и вывода образуют периферийные компоненты системы.
Процессоры получают информацию от модулей ввода, обрабатывают ее и принимают решения по управляющим действиям, которые должны выполняться модулями вывода. Модули ввода получают информацию от датчиков в процессе (или на местах), а модули вывода передают инструкции конечным элементам управления, таким как регулирующие клапаны .
Полевые входы и выходы могут представлять собой либо непрерывно изменяющиеся аналоговые сигналы, например, токовую петлю , либо два сигнала состояния, которые включаются или выключаются , например, контакты реле или полупроводниковый переключатель.
Распределенные системы управления обычно также могут поддерживать Foundation Fieldbus , PROFIBUS , HART , Modbus и другие цифровые коммуникационные шины, которые передают не только входные и выходные сигналы, но и расширенные сообщения, такие как диагностика ошибок и сигналы состояния.
Диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) — это архитектура системы управления , в которой используются компьютеры, сетевая передача данных и графические пользовательские интерфейсы для управления процессами высокого уровня. Интерфейсы оператора, которые обеспечивают мониторинг и выдачу команд процесса, таких как изменение заданных значений 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 ПИД-регуляторы , которые взаимодействуют с технологической установкой или оборудованием. [3]
Концепция SCADA разрабатывалась как универсальное средство удаленного доступа к множеству локальных модулей управления, которые могут быть от разных производителей, обеспечивающие доступ через стандартные протоколы автоматизации . На практике большие системы SCADA по функциям стали очень похожи на распределенные системы управления , но используют несколько средств взаимодействия с предприятием. Они могут управлять крупномасштабными процессами, которые могут включать несколько площадок и работать на больших расстояниях. [4] Это широко используемая архитектура промышленных систем управления, однако существуют опасения, что системы SCADA уязвимы для кибервойн или кибертеррористических атак. [5]
Программное обеспечение SCADA работает на уровне управления, поскольку управляющие действия выполняются автоматически с помощью RTU или ПЛК. Функции управления SCADA обычно ограничиваются базовым вмешательством на уровне контроля или управления. Контур управления с обратной связью напрямую контролируется RTU или ПЛК, но программное обеспечение SCADA контролирует общую производительность контура. Например, ПЛК может контролировать поток охлаждающей воды в рамках промышленного процесса до заданного уровня, но программное обеспечение системы SCADA позволит операторам изменять заданные значения расхода. SCADA также позволяет отображать и записывать аварийные состояния, такие как потеря потока или высокая температура.
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 устройствами. Системы ПЛК и SCADA. Они могут быть спроектированы для различных схем цифровых и аналоговых входов и выходов, расширенного температурного диапазона, невосприимчивости к электрическим шумам , а также устойчивости к вибрации и ударам. Программы управления работой машины обычно хранятся в энергонезависимой или резервной памяти .
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях развивалось на многих этапах. Первоначально управление осуществлялось с панелей, расположенных на технологическом заводе. Однако для этого требовалось, чтобы персонал обслуживал эти рассредоточенные группы, и не было общего представления о процессе. Следующим логическим развитием стала передача всех измерений станции в постоянно укомплектованный центральный диспетчерский пункт. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все выходные сигналы автоматического и ручного управления индивидуально передавались обратно на установку в виде пневматических или электрических сигналов. По сути, это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами снижения потребности в рабочей силе и консолидированного обзора процесса.
Однако, хотя эта схема и обеспечивала централизованное управление, она была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, поэтому изменения в системе требовали реконфигурации сигналов путем перераспределения или переподключения проводов. Также требовалось постоянное перемещение оператора по большой диспетчерской, чтобы контролировать весь процесс. С появлением электронных процессоров, высокоскоростных сетей электронной сигнализации и электронных графических дисплеев появилась возможность заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода-вывода с собственными управляющими процессорами. Они могут быть распределены по всему заводу и будут связываться с графическими дисплеями в диспетчерской. Реализована концепция распределенного управления .
Внедрение распределенного управления позволило гибко соединять и реконфигурировать средства управления предприятием, такие как каскадные контуры и блокировки, а также взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило реализовать сложную обработку сигналов тревоги, внедрить автоматическую регистрацию событий, устранить необходимость в физических записях, таких как самописцы, позволило объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на предприятии, чтобы сократить прокладку кабелей, а также обеспечить высокоуровневые обзоры состояния предприятия и уровни производства. Для крупных систем управления было придумано общее коммерческое название «Распределенная система управления» (DCS) для обозначения запатентованных модульных систем многих производителей, в которых интегрированы высокоскоростные сети и полный набор дисплеев и стоек управления.
В то время как РСУ была разработана для удовлетворения потребностей крупных непрерывных промышленных процессов, в отраслях, где комбинаторная и последовательная логика была основным требованием, ПЛК возникла из-за необходимости заменить стойки реле и таймеров, используемых для управления событиями. Старые элементы управления было трудно перенастроить и отладить, а управление ПЛК позволяло передавать сигналы в центральную зону управления с электронными дисплеями. ПЛК были впервые разработаны для автомобильной промышленности на линиях производства автомобилей, где последовательная логика становилась очень сложной. [6] Вскоре он был принят во многих других приложениях, управляемых событиями, таких как печатные станки и водоочистные сооружения.
История SCADA уходит корнями в распределительные приложения, такие как энергетические, газовые и водопроводные сети, где существует необходимость сбора удаленных данных через потенциально ненадежные или прерывистые каналы с низкой пропускной способностью и высокой задержкой. Системы SCADA используют разомкнутое управление объектами, которые сильно разнесены географически. Система SCADA использует удаленные терминальные устройства (RTU) для отправки контрольных данных обратно в центр управления. Большинство систем RTU всегда имели некоторую возможность осуществлять локальное управление, пока главная станция недоступна. Однако с годами системы RTU становятся все более способными осуществлять локальное управление.
Границы между системами DCS и SCADA/PLC с течением времени стираются. [7] Технические ограничения, которые определяли конструкцию этих различных систем, больше не являются такой большой проблемой. Многие платформы ПЛК теперь могут достаточно хорошо работать в качестве небольших РСУ, используя удаленный ввод-вывод, и являются достаточно надежными, чтобы некоторые системы SCADA фактически управляли замкнутым контуром управления на больших расстояниях. С ростом 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, позже ставшего IEC-61131-3 , отрасль перешла к усилению стандартизации кода с помощью многоразового, аппаратно-независимого программного обеспечения управления. Впервые объектно-ориентированное программирование (ООП) стало возможным в рамках промышленных систем 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 команд и последовательная функциональная схема. Их также можно программировать на современных языках высокого уровня, таких как C или C++. Кроме того, они принимают модели, разработанные с помощью аналитических инструментов, таких как MATLAB и Simulink . В отличие от традиционных ПЛК, в которых используются собственные операционные системы, в IPC используется Windows IoT . Преимуществом IPC являются мощные многоядерные процессоры с гораздо меньшими затратами на оборудование, чем у традиционных ПЛК, и они хорошо вписываются в различные форм-факторы, такие как крепление на DIN-рейку в сочетании с сенсорным экраном в качестве панельного ПК или встраиваемого ПК. Новые аппаратные платформы и технологии внесли значительный вклад в эволюцию систем DCS и SCADA, еще больше размывая границы и меняя определения.
SCADA и ПЛК уязвимы для кибератак. Демонстрация технологий совместных возможностей правительства США (JCTD), известная как MOSAICS (Большая ситуационная осведомленность для систем промышленного управления), является первой демонстрацией защитных возможностей кибербезопасности для систем управления критически важной инфраструктурой. [8] MOSAICS удовлетворяет оперативные потребности Министерства обороны (DOD) в возможностях киберзащиты для защиты критически важных систем управления инфраструктурой от кибератак, таких как электроэнергия, водоснабжение и сточные воды, а также средства контроля безопасности, влияющие на физическую среду. [9] Прототип MOSAICS JCTD будет представлен коммерческой отрасли через Дни промышленности для дальнейших исследований и разработок. Этот подход призван привести к инновационным, меняющим правила игры возможностям кибербезопасности для систем управления критически важной инфраструктурой. [10]
Эта статья включает общедоступные материалы Национального института стандартов и технологий.