Industriellt styrsystem - Industrial control system

Industriellt styrsystem ( ICS ) är en allmän term som omfattar flera typer av styrsystem och tillhörande instrument som används för industriell processstyrning . Styrsystem kan variera i storlek från några modulära panelmonterade styrenheter till stora sammankopplade och interaktiva distribuerade styrsystem (DCS) med många tusentals fältanslutningar. Styrsystem tar emot data från fjärrsensorer som mäter processvariabler (PV), jämför insamlade data med önskade börvärden (SP) och härleder kommandofunktioner som används för att styra en process genom de slutliga kontrollelementen (FCE), till exempel styrventiler .

Större system implementeras vanligtvis genom övervakningskontroll och datainsamling (SCADA) -system, eller DCS, och programmerbara logiska styrenheter (PLC), även om SCADA- och PLC -system är skalbara till små system med få kontrollslingor. Sådana system används i stor utsträckning inom industrier som kemisk bearbetning, massa- och papperstillverkning, kraftproduktion, olje- och gasbearbetning och telekommunikation.

Diskreta styrenheter

Panelmonterade kontroller med integrerade displayer. Processvärdet (PV) och börvärdet (SV) eller börvärdet är på samma skala för enkel jämförelse. Styrenhetens utgång visas som MV (manipulerad variabel) med intervall 0-100%.
En styrslinga med en diskret styrenhet. Fältsignaler är flödeshastighetsmätning från sensorn och styrutgång till ventilen. En ventilpositionerare säkerställer korrekt ventilfunktion.

De enklaste styrsystemen är baserade på små diskreta styrenheter med en enda styrslinga vardera. Dessa är vanligtvis panelmonterade vilket möjliggör direkt visning av frontpanelen och ger möjlighet till manuell ingrepp av operatören, antingen för att manuellt styra processen eller för att ändra kontrollbörvärden. Ursprungligen skulle dessa vara pneumatiska regulatorer, varav några fortfarande används, men nästan alla är nu elektroniska.

Ganska komplexa system kan skapas med nätverk av dessa kontroller som kommunicerar med hjälp av branschstandardprotokoll. Nätverk möjliggör användning av lokala eller avlägsna SCADA -operatörsgränssnitt och möjliggör kaskad och förregling av styrenheter. När antalet styrslingor ökar för en systemdesign finns det dock en punkt där användningen av en programmerbar logisk styrenhet (PLC) eller distribuerat styrsystem (DCS) är mer hanterbar eller kostnadseffektiv.

Distribuerade styrsystem

Funktionella tillverkningskontrollnivåer. DCS (inklusive PLC: er eller RTU: er) fungerar på nivå 1. Nivå 2 innehåller programvaran SCADA och datorplattformen.
Huvudartikel: Distribuerat styrsystem

Ett distribuerat styrsystem (DCS) är ett digitalt processstyrsystem för en process eller anläggning, där styrfunktioner och fältanslutningsmoduler är fördelade i hela systemet. När antalet kontrollslingor växer blir DCS mer kostnadseffektivt än diskreta styrenheter. Dessutom tillhandahåller en DCS övervakning och hantering av stora industriella processer. I en DCS är en hierarki av styrenheter anslutna via kommunikationsnätverk , vilket möjliggör centraliserade kontrollrum och lokal övervakning och kontroll på anläggningen.

En DCS möjliggör enkel konfiguration av anläggningskontroller, såsom kaskadslingor och förreglingar, och enkelt gränssnitt med andra datorsystem som produktionskontroll . Det möjliggör också mer sofistikerad larmhantering, introducerar automatisk händelseloggning, avlägsnar behovet av fysiska poster som kartspelare och gör att styrutrustningen kan nätverkas och därigenom lokaliseras lokalt till den utrustning som styrs för att minska kablage.

En DCS använder vanligtvis specialdesignade processorer som kontroller och använder antingen proprietära sammankopplingar eller standardprotokoll för kommunikation. Ingångs- och utmatningsmoduler utgör systemets perifera komponenter.

Processorerna tar emot information från inmatningsmoduler, bearbetar informationen och bestämmer kontrollåtgärder som ska utföras av utmatningsmodulerna. Ingångsmodulerna tar emot information från avkänningsinstrument i processen (eller fältet) och utmatningsmodulerna överför instruktioner till de slutliga styrelementen, såsom styrventiler .

Fältets ingångar och utgångar kan antingen kontinuerligt förändra analoga signaler, t.ex. strömslinga eller 2 tillståndssignaler som antingen kopplas på eller av , såsom reläkontakter eller en halvledaromkopplare.

Distribuerade styrsystem kan normalt också stödja Foundation Fieldbus , PROFIBUS , HART , Modbus och andra digitala kommunikationsbussar som inte bara bär in- och utsignaler utan även avancerade meddelanden som feldiagnostik och statussignaler.

SCADA -system

Huvudartikel: SCADA

Övervakningskontroll och datainsamling (SCADA) är en styrsystemarkitektur som använder datorer, datakommunikation i nätverk och grafiska användargränssnitt för processövervakning på hög nivå. Operatörsgränssnitten som möjliggör övervakning och utfärdande av processkommandon, såsom ändringar av börvärdesstyrenheter, hanteras via SCADA: s övervakande datorsystem. Realtidskontrolllogiken eller regulatorberäkningarna utförs emellertid av nätverksmoduler som ansluter till andra perifera enheter, såsom programmerbara logiska styrenheter och diskreta PID-styrenheter som gränssnitt till processanläggningen eller maskinen.

SCADA -konceptet utvecklades som ett universellt medel för fjärråtkomst till en mängd lokala kontrollmoduler, som kan komma från olika tillverkare som möjliggör åtkomst via standardautomatiseringsprotokoll . I praktiken har stora SCADA -system vuxit till att bli mycket lika distribuerade styrsystem i funktion, men med hjälp av flera sätt att ansluta till anläggningen. De kan styra storskaliga processer som kan inkludera flera platser och arbeta över stora avstånd. Detta är ett vanligt använt arkitekturindustrikontrollsystem, men det finns farhågor om att SCADA-system är sårbara för cybervärn eller cyberterrorattacker .

SCADA -programvaran fungerar på övervakningsnivå eftersom kontrollåtgärder utförs automatiskt av RTU: er eller PLC: er. SCADA -kontrollfunktioner är vanligtvis begränsade till grundläggande övergripande eller övervakande nivåintervention. En återkopplingsstyrslinga styrs direkt av RTU eller PLC, men SCADA -programvaran övervakar slingans övergripande prestanda. Till exempel kan en PLC styra kylvattenflödet genom en del av en industriell process till en börvärdesnivå, men SCADA -systemprogramvaran tillåter operatörer att ändra börvärdena för flödet. SCADA gör det också möjligt att visa och registrera larmförhållanden, såsom flödesförlust eller hög temperatur.

Programmerbara logikkontroller

Huvudartikel: Programmerbar logikkontroller
Siemens Simatic S7-400-system i ett rack, vänster till höger: nätaggregat (PSU), CPU, gränssnittsmodul (IM) och kommunikationsprocessor (CP).

PLC: er kan sträcka sig från små modulära enheter med tiotals ingångar och utgångar (I/O) i ett hölje integrerat med processorn, till stora rackmonterade modulära enheter med ett antal tusentals I/O, och som ofta är nätverksanslutna till andra PLC- och SCADA -system. De kan utformas för flera arrangemang av digitala och analoga ingångar och utgångar, utökade temperaturområden, immunitet mot elektriska brus och motstånd mot vibrationer och stötar. Program för att styra maskinens drift lagras vanligtvis i ett batteri-säkerhetskopierat eller icke-flyktigt minne .

Historia

Ett centralt kontrollrum före DCS-eran. Även om kontrollerna är centraliserade på ett ställe, är de fortfarande diskreta och inte integrerade i ett system.
Ett DCS -kontrollrum där anläggningsinformation och kontroller visas på datorgrafikskärmar. Operatörerna sitter där de kan se och styra någon del av processen från sina skärmar, samtidigt som de behåller en anläggningsöversikt.

Processkontroll av stora industrianläggningar har utvecklats genom många steg. Ursprungligen var kontrollen från paneler lokala till processanläggningen. Men detta krävde att personal tog hand om dessa spridda paneler, och det fanns ingen övergripande syn på processen. Nästa logiska utveckling var överföringen av alla anläggningsmätningar till ett permanent bemannat centralt kontrollrum. Ofta fanns kontrollerna bakom kontrollrumspanelerna och alla automatiska och manuella styrutgångar överfördes individuellt tillbaka till anläggningen i form av pneumatiska eller elektriska signaler. Detta var effektivt centraliseringen av alla de lokaliserade panelerna, med fördelarna med minskade arbetskraftskrav och konsoliderad överblick över processen.

Men samtidigt som det gav ett centralt styrfokus var detta arrangemang oflexibelt eftersom varje styrslinga hade sin egen styrhårdvara så att systemändringar krävde omkonfigurering av signaler genom omledning eller omkoppling. Det krävde också kontinuerlig förarrörelse inom ett stort kontrollrum för att övervaka hela processen. Med elektroniska processorer, höghastighets elektroniska signalnätverk och elektroniska grafiska displayer kom det att bli möjligt att ersätta dessa diskreta styrenheter med datorbaserade algoritmer, som är värd på ett nätverk av in-/utgångsställ med egna styrprocessorer. Dessa kan distribueras runt anläggningen och kommunicera med de grafiska displayerna i kontrollrummet. Begreppet distribuerad kontroll förverkligades.

Införandet av distribuerad kontroll möjliggjorde flexibel sammankoppling och omkonfigurering av anläggningskontroller, såsom kaskadslingor och interlocks, och gränssnitt med andra produktionsdatorsystem. Det möjliggjorde sofistikerad larmhantering, införde automatisk händelseloggning, tog bort behovet av fysiska poster som kartskrivare, gjorde det möjligt att ansluta kontrollställen och därigenom lokalisera lokalt för att anlägga för att minska kabeldragningar, och gav överblick över anläggningens status och produktionsnivåer. För stora kontrollsystem myntades det allmänna kommersiella namnet distribuerat kontrollsystem (DCS) för att hänvisa till egna modulära system från många tillverkare som integrerade höghastighetsnätverk och en komplett uppsättning bildskärmar och styrhyllor.

Medan DCS var skräddarsydd för att möta behoven hos stora kontinuerliga industriella processer, i industrier där kombinatorisk och sekventiell logik var det primära kravet, utvecklades PLC: et ur ett behov av att byta ut reläer och tidtagare som används för händelsestyrd kontroll. De gamla kontrollerna var svåra att konfigurera och felsöka, och PLC-styrning möjliggjorde nätverkssignaler till ett centralt kontrollområde med elektroniska displayer. PLC utvecklades först för bilindustrin på fordonsproduktionslinjer, där sekventiell logik blev mycket komplex. Det antogs snart i ett stort antal andra evenemangsdrivna applikationer lika varierade som tryckpressar och vattenreningsverk.

SCADAs historia är förankrad i distributionsapplikationer, såsom kraft, naturgas och vattenledningar, där det finns ett behov av att samla in fjärrdata genom potentiellt opålitliga eller intermittenta lågbandbredd- och höglatenslänkar. SCADA-system använder open-loop-kontroll med platser som är geografiskt åtskilda. Ett SCADA -system använder fjärrterminalenheter (RTU: er) för att skicka övervakningsdata tillbaka till en kontrollcentral. De flesta RTU -system hade alltid viss kapacitet att hantera lokal kontroll medan masterstationen inte är tillgänglig. Under åren har dock RTU -systemen blivit allt mer kapabla att hantera lokal kontroll.

Gränserna mellan DCS- och SCADA/PLC -system suddas ut med tiden. De tekniska gränserna som drev utformningen av dessa olika system är inte längre lika mycket ett problem. Många PLC-plattformar kan nu fungera ganska bra som en liten DCS, med hjälp av fjärr-I/O och är tillräckligt tillförlitliga för att vissa SCADA-system faktiskt hanterar slutna slingor över långa avstånd. Med dagens processors ökande hastighet har många DCS-produkter ett komplett sortiment av PLC-liknande undersystem som inte erbjöds när de först utvecklades.

År 1993, med lanseringen av IEC-1131, senare för att bli IEC-61131-3 , gick industrin mot ökad kodstandardisering med återanvändbar, maskinvaruoberoende styrprogramvara. För första gången blev objektorienterad programmering (OOP) möjlig inom industriella styrsystem. Detta ledde till utvecklingen av både programmerbara automationskontroller (PAC) och industriella datorer (IPC). Dessa är plattformar programmerade på de fem standardiserade IEC -språken: stege -logik, strukturerad text, funktionsblock, instruktionslista och sekventiellt funktionsdiagram. De kan också programmeras på moderna högnivåspråk som C eller C ++. Dessutom accepterar de modeller som utvecklats i analysverktyg som MATLAB och Simulink . Till skillnad från traditionella PLC: er, som använder egna operativsystem, använder IPC: er Windows IoT . IPC: er har fördelen av kraftfulla flerkärniga processorer med mycket lägre hårdvarukostnader än traditionella PLC: er och passar bra in i flera formfaktorer, t.ex. DIN-skenfäste, kombinerat med en pekskärm som en panel-PC eller som en inbäddad PC. Nya hårdvaruplattformar och teknik har bidragit väsentligt till utvecklingen av DCS- och SCADA -system, vilket ytterligare suddar ut gränserna och ändrar definitioner.

säkerhet

SCADA och PLC är sårbara för cyberattacker. Den amerikanska regeringens Joint Capability Technology Demonstration (JCTD), känd som MOSAICS (More Situational Awareness for Industrial Control Systems), är den första demonstrationen av cybersäkerhetsförmåga för kritiska infrastrukturstyrsystem. MOSAICS tar itu med Department of Defense (DOD) operativa behov av cyberförsvarskapacitet för att försvara kritiska infrastrukturkontrollsystem från cyberattacker, såsom kraft, vatten och avloppsvatten och säkerhetskontroller, påverkar den fysiska miljön. MOSAICS JCTD-prototypen kommer att delas med den kommersiella industrin genom Industry Days för vidare forskning och utveckling, ett tillvägagångssätt som är avsett att leda till en innovativ, spelförändrande kapacitet för cybersäkerhet för kritiska infrastrukturstyrsystem.

Se även

Referenser

Allmängods Denna artikel innehåller  material från det offentliga området från National Institute of Standards and Technology -webbplatsen https://www.nist.gov .

Vidare läsning

externa länkar