Distributed Control Systems and Programmable Logic Controllers

DCS are used to control production systems within the same geographic location for industries such as oil refineries, water and wastewater treatment, electric power generation plants, chemical manufacturing plants, and pharmaceutical processing facilities. These systems are usually process control or discrete part control systems. A DCS uses a centralized supervisory control loop to mediate a group of localized controllers that share the overall tasks of carrying out an entire production process. By modularizing the production system, a DCS reduces the impact of a single fault on the overall system. In many modern systems, the DCS is interfaced with the corporate network to give business operations a view of production.

PLCs are used in both SCADA and DCS systems as the control components of an overall hierarchical system to provide local management of processes through feedback control as described in the sections above. In the case of SCADA systems, they provide the same functionality of RTUs. When used in DCS, PLCs are implemented as local controllers within a supervisory control scheme. PLCs are also implemented as the primary components in smaller control system configurations. PLCs have a user-programmable memory for storing instructions for the purpose of implementing specific functions such as I/O control, logic, timing, counting, three mode proportional-integral-derivative (PID) control, communication, arithmetic, and data and file processing. Figure 6 shows control of a manufacturing process being performed by a PLC over a fieldbus network. The PLC is accessible via a programming interface located on an engineering workstation, and data is stored in a data historian, all connected on a LAN.

Both the electrical power transmission and distribution grid industries use geographically distributed SCADA control technology to operate highly interconnected and dynamic systems consisting of thousands of public and private utilities and rural cooperatives for supplying electricity to end users. SCADA systems monitor and control electricity distribution by collecting data from and issuing commands to geographically remote field control stations from a centralized location. SCADA systems are also used to monitor and control water, oil and natural gas distribution, including pipelines, ships, trucks, and rail systems, as well as wastewater collection systems.

SCADA systems and DCS are often networked together. This is the case for electric power control centers and electric power generation facilities. Although the electric power generation facility operation is controlled by a DCS, the DCS must communicate with the SCADA system to coordinate production output with transmission and distribution demands.

The U.S. critical infrastructure is often referred to as a “system of systems” because of the interdependencies that exist between its various industrial sectors as well as interconnections between business partners. Critical infrastructures are highly interconnected and mutually dependent in complex ways, both physically and through a host of information and communications technologies. An incident in one infrastructure can directly and indirectly affect other infrastructures through cascading and escalating failures.

Electric power is often thought to be one of the most prevalent sources of disruptions of interdependent critical infrastructures. As an example, a cascading failure can be initiated by a disruption of the microwave communications network used for an electric power transmission SCADA system. The lack of monitoring and control capabilities could cause a large generating unit to be taken offline, an event that would lead to loss of power at a transmission substation. This loss could cause a major imbalance, triggering a cascading failure across the power grid. This could result in large area blackouts that could potentially affect oil and natural gas production, refinery operations, water treatment systems, wastewater collection systems, and pipeline transport systems that rely on the grid for electric power.

SCADA-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.

DCS-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 процессом

PLC-контроллеры 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.

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.

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.

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.

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.

Рисунок 2 показывает компоненты и общую конфигурацию системы SCADA. В центре контроля размещаются Сервер SCADA (MTU) и коммуникационные маршрутизаторы. Другие компоненты центра контроля включают HMI, технические автоматизированные рабочие места и архивы данных, которые связаны LAN. Центр контроля собирает и регистрирует информацию, собранную сетями коммуникации, представляет информацию HMI, и может произвести действия, основанные на обнаруженных событиях. Центр контроля также отвечает за выдачу аварийных сообщений. Сети коммуникации часто имеют способность удаленного доступа, позволяющего сетевым операторам обычно выполнять отдаленную диагностику и ремонт.

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.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: