Промышленная система управления ( ICS ) — это электронная система управления и связанная с ней аппаратура , используемая для управления промышленными процессами . Системы управления могут иметь размер от нескольких модульных контроллеров, монтируемых на панели, до крупных взаимосвязанных и интерактивных распределенных систем управления (DCS) с многими тысячами полевых соединений. Системы управления получают данные от удаленных датчиков, измеряющих переменные процесса (PV), сравнивают собранные данные с требуемыми уставками (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 DCS и программируемых логических контроллеров (PLC), хотя системы SCADA и PLC масштабируются до небольших систем с небольшим количеством контуров управления. [1] Такие системы широко используются в таких отраслях, как химическая переработка, целлюлозно-бумажное производство, энергетика, переработка нефти и газа и телекоммуникации.
Простейшие системы управления основаны на небольших дискретных контроллерах с одним контуром управления каждый. Обычно они монтируются на панели, что позволяет напрямую просматривать переднюю панель и обеспечивает оператору средства ручного вмешательства, либо для ручного управления процессом, либо для изменения уставок управления. Первоначально это были пневматические контроллеры, некоторые из которых все еще используются, но почти все теперь электронные.
Достаточно сложные системы могут быть созданы с сетями этих контроллеров, взаимодействующих с использованием стандартных промышленных протоколов. Сетевое взаимодействие позволяет использовать локальные или удаленные интерфейсы оператора SCADA и обеспечивает каскадирование и блокировку контроллеров. Однако по мере увеличения количества контуров управления для проекта 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 завода, в которой функции контроллера и модули полевых соединений распределены по всей системе. По мере роста числа контуров управления РСУ становится более экономически эффективной, чем дискретные контроллеры. Кроме того, РСУ обеспечивает контрольный просмотр и управление крупными промышленными процессами. В РСУ иерархия контроллеров связана коммуникационными сетями , что позволяет централизованно управлять диспетчерскими и локально контролировать и управлять на заводе. [2]
DCS обеспечивает простую настройку элементов управления установкой, таких как каскадные контуры и блокировки, а также простое взаимодействие с другими компьютерными системами, такими как система управления производством . [3] Она также обеспечивает более сложную обработку сигналов тревоги, вводит автоматическую регистрацию событий, устраняет необходимость в физических записях, таких как самописцы, и позволяет объединить контрольное оборудование в сеть и, таким образом, разместить его локально по отношению к контролируемому оборудованию, чтобы сократить количество кабелей.
DCS обычно использует специально разработанные процессоры в качестве контроллеров и использует либо фирменные соединения, либо стандартные протоколы для связи. Модули ввода и вывода образуют периферийные компоненты системы.
Процессоры получают информацию от входных модулей, обрабатывают информацию и решают, какие действия управления должны выполнять выходные модули. Входные модули получают информацию от датчиков в процессе (или поле), а выходные модули передают инструкции конечным элементам управления, таким как регулирующие клапаны .
Полевые входы и выходы могут быть либо непрерывно изменяющимися аналоговыми сигналами, например, токовой петлей , либо сигналами с двумя состояниями, которые включаются или выключаются , например, релейными контактами или полупроводниковым переключателем.
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.
Контрольно-диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) — это архитектура системы управления , которая использует компьютеры, сетевые коммуникации данных и графические пользовательские интерфейсы для высокоуровневого контроля процесса. Интерфейсы оператора, которые позволяют осуществлять мониторинг и выдавать команды процесса, такие как изменение заданных значений контроллера, обрабатываются через контрольно-диспетчерскую компьютерную систему 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-контроллеры , которые взаимодействуют с технологической установкой или оборудованием. [4]
Концепция SCADA была разработана как универсальное средство удаленного доступа к различным локальным модулям управления, которые могут быть от разных производителей, что позволяет осуществлять доступ через стандартные протоколы автоматизации . На практике большие системы SCADA стали очень похожи на распределенные системы управления по функциям, но используют несколько средств взаимодействия с заводом. Они могут управлять крупномасштабными процессами, которые могут включать несколько участков, и работать на больших расстояниях. [5] Это широко используемая архитектура промышленных систем управления, однако существуют опасения, что системы SCADA уязвимы для кибервойны или кибертеррористических атак. [6]
Программное обеспечение SCADA работает на уровне контроля, поскольку действия управления выполняются автоматически RTU или PLC. Функции управления SCADA обычно ограничиваются базовым переопределением или вмешательством на уровне контроля. Контур управления с обратной связью напрямую контролируется RTU или PLC, но программное обеспечение SCADA контролирует общую производительность контура. Например, PLC может контролировать поток охлаждающей воды через часть промышленного процесса до уровня заданного значения, но программное обеспечение системы SCADA позволит операторам изменять заданные значения для потока. SCADA также позволяет отображать и регистрировать состояния тревоги, такие как потеря потока или высокая температура.
ПЛК могут варьироваться от небольших модульных устройств с десятками входов и выходов (I/O) в корпусе, встроенном в процессор, до больших монтируемых в стойку модульных устройств с количеством тысяч входов/выходов, которые часто объединены в сеть с другими системами ПЛК и SCADA. Они могут быть разработаны для множественных расположений цифровых и аналоговых входов и выходов, расширенных температурных диапазонов, устойчивости к электрическим помехам и устойчивости к вибрации и ударам. Программы для управления работой машины обычно хранятся в резервной или энергонезависимой памяти . [7]
Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много стадий. Первоначально управление осуществлялось с панелей, расположенных на технологическом предприятии. Однако для этого требовалось присутствие персонала на этих разбросанных панелях, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в постоянно укомплектованную центральную диспетчерскую. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные выходные сигналы управления по отдельности передавались обратно на предприятие в виде пневматических или электрических сигналов. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами снижения потребности в рабочей силе и консолидированного обзора процесса.
Однако, обеспечивая центральный фокус управления, эта схема была негибкой, поскольку каждый контур управления имел свое собственное аппаратное обеспечение контроллера, поэтому изменения в системе требовали перенастройки сигналов путем повторной прокладки труб или проводки. Также требовалось постоянное перемещение оператора в большой диспетчерской для контроля всего процесса. С появлением электронных процессоров, высокоскоростных электронных сигнальных сетей и электронных графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода/вывода с их собственными процессорами управления. Они могли быть распределены по заводу и могли взаимодействовать с графическими дисплеями в диспетчерской. Была реализована концепция распределенного управления .
Внедрение распределенного управления позволило гибко соединять и перенастраивать элементы управления заводом, такие как каскадные контуры и блокировки, а также взаимодействовать с другими производственными компьютерными системами. Это позволило реализовать сложную обработку сигналов тревоги, внедрило автоматическую регистрацию событий, устранило необходимость в физических записях, таких как самописцы, позволило объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на заводе, чтобы сократить количество проложенных кабелей, и предоставило обзоры высокого уровня состояния завода и уровней производства. Для крупных систем управления было придумано общее коммерческое название распределенная система управления (DCS) для обозначения фирменных модульных систем от многих производителей, которые интегрировали высокоскоростную сеть и полный набор дисплеев и стоек управления.
В то время как DCS была адаптирована для удовлетворения потребностей крупных непрерывных промышленных процессов, в отраслях, где комбинаторная и последовательная логика были основным требованием, PLC развился из необходимости заменить стойки реле и таймеров, используемых для событийно-управляемого управления. Старые элементы управления было трудно перенастраивать и отлаживать, а управление PLC позволяло объединять сигналы в центральную зону управления с электронными дисплеями. PLC были впервые разработаны для автомобильной промышленности на линиях по производству транспортных средств, где последовательная логика становилась очень сложной. [8] Вскоре она была принята во многих других событийно-управляемых приложениях, таких как печатные станки и водоочистные сооружения.
История SCADA уходит корнями в распределительные приложения, такие как электро-, газо- и водопроводы, где есть необходимость собирать удаленные данные через потенциально ненадежные или прерывистые каналы с низкой пропускной способностью и высокой задержкой. Системы SCADA используют управление с открытым контуром с объектами, которые географически сильно разнесены. Система SCADA использует удаленные терминальные устройства (RTU) для отправки контрольных данных обратно в центр управления. Большинство систем RTU всегда имели некоторую возможность управлять локальным управлением, пока главная станция недоступна. Однако с годами системы RTU становились все более и более способными управлять локальным управлением.
Границы между системами DCS и SCADA/PLC со временем размываются. [9] Технические ограничения, которые двигали проектами этих различных систем, больше не являются такой уж большой проблемой. Многие платформы PLC теперь могут работать достаточно хорошо как небольшие DCS, используя удаленный ввод-вывод, и достаточно надежны, 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 PLC, которые не предлагались, когда они изначально разрабатывались.
В 1993 году с выпуском IEC-1131, позже ставшего IEC-61131-3 , отрасль перешла к повышению стандартизации кода с помощью повторно используемого, независимого от оборудования программного обеспечения управления. 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. Их также можно программировать 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 фирменные операционные системы, IPC используют Windows IoT . IPC имеют преимущество в виде мощных многоядерных процессоров с гораздо более низкой стоимостью оборудования, 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 изменяя определения.
SCADA и PLC уязвимы для кибератак. Демонстрация совместных технологий правительства США (JCTD), известная как MOSAICS (More Situational Awareness for Industrial Control Systems), является первоначальной демонстрацией возможностей защиты от кибератак для систем управления критической инфраструктурой. [10] MOSAICS удовлетворяет оперативную потребность Министерства обороны (DOD) в возможностях кибератак для защиты систем управления критической инфраструктурой от кибератак, таких как электроснабжение, водоснабжение и водоотведение, а также средства безопасности, влияющие на физическую среду. [11] Прототип MOSAICS JCTD будет предоставлен коммерческой промышленности в рамках Дней промышленности для дальнейших исследований и разработок, подход, призванный привести к инновационным, меняющим правила игры возможностям кибербезопасности для систем управления критической инфраструктурой. [12]
В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием Национального института стандартов и технологий.