Войти
Промышленная система управления (ICS ) - это общий термин, охватывающий несколько типов системы управления и связанные с ними контрольно-измерительные приборы, используемые для управления промышленными процессами.
Такие системы могут варьироваться по размеру от нескольких модульных панельных контроллеров до крупных взаимосвязанных и интерактивных распределенных систем управления с множеством тысячи полевых подключений. Системы получают данные, полученные от удаленных датчиков, измеряющих переменные процесса (PV), сравнивают собранные данные с желаемыми уставками (SP) и получают 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 распределенных систем управления ( DCS) и программируемых логических контроллеров (PLC), хотя системы SCADA и PLC масштабируются до небольших систем с небольшим количеством контуров управления. Такие системы широко используются в таких отраслях, как химическая переработка, производство целлюлозы и бумаги, производство электроэнергии, переработка нефти и газа и телекоммуникации.
Монтируемые на панели контроллеры со встроенными дисплеями. Значение процесса (PV), заданное значение (SV) или заданное значение находятся на одной шкале для облегчения сравнения. Выходной сигнал контроллера показан как MV (управляемая переменная) в диапазоне 0–100%. 
Контур управления с использованием дискретного контроллера. Полевые сигналы - это измерение расхода от датчика и управляющий выход на клапан. Позиционер клапана обеспечивает правильную работу клапана. 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 предоставляет средства ручного вмешательства оператора, либо для ручного управления процессом, либо для изменения контрольных уставок. Первоначально это были пневматические контроллеры, некоторые из которых все еще используются, но сейчас почти все они электронные.
Можно создать довольно сложные системы с сетями этих контроллеров, обменивающихся данными с использованием стандартных протоколов. Сеть позволяет использовать локальные или удаленные интерфейсы оператора SCADA и обеспечивает каскадирование и блокировку контроллеров. Однако по мере увеличения количества контуров управления для проектирования системы наступает момент, когда использование программируемого логического контроллера (PLC) или распределенной системы управления (DCS) становится более управляемым. или рентабельно.
Уровни функционального управления производством. DCS (включая ПЛК или RTU) работает на уровне 1. Уровень 2 содержит программное обеспечение SCADA и вычислительную платформу. Распределенная система управления (DCS) - это цифровая система управления процессом для процесса или завода, в которой функции контроллера и полевые соединения модули распределены по всей системе. По мере роста числа контуров управления DCS становится более рентабельной, чем дискретные контроллеры. Кроме того, DCS обеспечивает контроль и управление крупными производственными процессами. В РСУ иерархия контроллеров соединена сетями связи, что позволяет централизовать диспетчерские и локальный мониторинг и управление на предприятии.
DCS позволяет легко конфигурировать средства управления производством, такие как каскадные петли и блокировки, а также легко взаимодействовать с другими компьютерными системами, такими как управление производством. Он также обеспечивает более сложную обработку аварийных сигналов, вводит автоматическую регистрацию событий, устраняет необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, и позволяет объединять оборудование управления в сеть и, таким образом, размещать его локально по отношению к управляемому оборудованию, чтобы уменьшить количество кабелей.
DCS обычно использует специально разработанные процессоры в качестве контроллеров и использует собственные межсоединения или стандартные протоколы для связи. Модули ввода и вывода образуют периферийные компоненты системы.
Процессоры получают информацию от модулей ввода, обрабатывают информацию и решают управляющие действия, которые должны выполняться модулями вывода. Модули ввода получают информацию от измерительных приборов в процессе (или поле), а модули вывода передают инструкции конечным элементам управления, таким как регулирующие клапаны.
Полевые входы и выходы могут постоянно изменяться аналоговые сигналы например токовая петля или 2 сигнала состояния, которые включаются или выключаются, например, контакты реле или полупроводниковый переключатель.
Распределенные системы управления обычно могут также поддерживать Foundation Fieldbus, PROFIBUS, HART, Modbus и другие шины цифровой связи. которые передают не только входные и выходные сигналы, но также расширенные сообщения, такие как диагностика ошибок и сигналы состояния.
Диспетчерский контроль и сбор данных (SCADA) - это архитектура системы управления, в которой используются компьютеры, сетевой обмен данными и графические пользовательские интерфейсы для управления процессами высокого уровня. Интерфейсы оператора, обеспечивающие мониторинг и выдачу технологических команд, таких как изменение уставки контроллера, обрабатываются через компьютерную систему диспетчерского управления SCADA. Однако логика управления в реальном времени или расчеты контроллера выполняются сетевыми модулями, которые подключаются к другим периферийным устройствам, таким как программируемые логические контроллеры и дискретные ПИД-контроллеры, которые взаимодействуют с технологическим оборудованием или машины.
Концепция SCADA была разработана как универсальное средство удаленного доступа к множеству локальных модулей управления, которые могут быть от разных производителей, обеспечивая доступ через стандартные протоколы автоматизации. На практике большие системы SCADA выросли и стали очень похожи на распределенные системы управления по функциям, но с использованием нескольких средств взаимодействия с установкой. Они могут управлять крупномасштабными процессами, которые могут включать в себя несколько сайтов, и работать на больших расстояниях. Это широко используемая архитектура промышленных систем управления, однако есть опасения, что системы SCADA уязвимы для кибервойны или кибертерроризма атак.
Программное обеспечение SCADA работает на уровень управления, поскольку управляющие действия выполняются автоматически RTU или ПЛК. Функции управления SCADA обычно ограничиваются вмешательством на базовом или контролирующем уровне. Контур управления с обратной связью напрямую управляется RTU или PLC, но программное обеспечение SCADA контролирует общую производительность контура. Например, ПЛК может управлять потоком охлаждающей воды через часть промышленного процесса до заданного уровня, но системное программное обеспечение SCADA позволяет операторам изменять заданные значения расхода. SCADA также позволяет отображать и записывать аварийные ситуации, такие как потеря потока или высокая температура.
Система Siemens Simatic S7-400 в стойке, слева направо: блок питания (PSU), CPU, интерфейсный модуль (IM) и коммуникационный процессор (CP). ПЛК могут варьироваться от небольших модульных устройств с десятками входов и выходов (I / O) в корпусе, интегрированном с процессором, до больших монтируемых в стойку модульных устройств с количеством входов / выходов до тысяч, которые часто объединены в сеть. к другим системам PLC и SCADA. Они могут быть разработаны для различных конфигураций цифровых и аналоговых входов и выходов, расширенного температурного диапазона, устойчивости к электрическим помехам и устойчивости к вибрации и ударам. Программы для управления работой машины обычно хранятся в запоминающем устройстве с резервным питанием от батарей или в энергонезависимой памяти.
Центральная диспетчерская до эпохи DCS. Хотя средства управления централизованы в одном месте, они по-прежнему дискретны и не интегрированы в одну систему. 
Диспетчерская DCS, где информация и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят, так как они могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор предприятия. Управление процессом на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление осуществлялось с локальных панелей технологической установки. Однако для этого требовалось, чтобы персонал занимался этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим событием стала передача всех измерений станции в центральную диспетчерскую, где постоянно находился персонал. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные управляющие выходы индивидуально передавались обратно на завод в виде пневматических или электрических сигналов. По сути, это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами сокращения потребности в людях и консолидированного обзора процесса.
Однако, обеспечивая централизованное управление, эта компоновка была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, поэтому изменения системы требовали реконфигурации сигналов путем перенастройки трубопроводов или перенастройки проводки. Также требовалось постоянное перемещение оператора в большой диспетчерской для наблюдения за всем процессом. С появлением электронных процессоров, высокоскоростных сетей электронной сигнализации и электронных графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода / вывода с собственными процессорами управления. Они могут быть распределены по предприятию и будут сообщаться с графическими дисплеями в диспетчерской. Реализована концепция распределенного управления.
Внедрение распределенного управления позволило гибко объединить и переконфигурировать средства управления предприятием, такие как каскадные петли и блокировки, а также взаимодействие с другими производственными компьютерными системами. Он обеспечил сложную обработку аварийных сигналов, ввел автоматическую регистрацию событий, устранил необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, позволил объединить стойки управления в сеть и тем самым разместить их локально на заводе, чтобы сократить количество прокладок кабелей, а также обеспечил высокоуровневые обзоры состояния завода и уровни производства. Для больших систем управления было придумано общее коммерческое название распределенная система управления (DCS) для обозначения проприетарных модульных систем от многих производителей, которые объединяли высокоскоростные сети и полный набор дисплеев и стоек управления.
В то время как РСУ была адаптирована 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 событий -приводное управление. Старые элементы управления было сложно перенастроить и отладить, а управление ПЛК позволило организовать передачу сигналов в центральную зону управления с электронными дисплеями. ПЛК были впервые разработаны для автомобильной промышленности на производственных линиях автомобилей, где последовательная логика становилась очень сложной. Вскоре он был принят в большом количестве других приложений, ориентированных на события, таких как печатные машины и водоочистные сооружения.
История SCADA уходит корнями в распределительные приложения, такие как трубопроводы электроэнергии, природного газа и водоснабжения, где существует потребность в сборе удаленных данных через потенциально ненадежные или прерывистые каналы с низкой пропускной способностью и высокой задержкой. В системах SCADA используется управление без обратной связи с объектами, которые сильно разнесены географически. Система SCADA использует удаленные оконечные устройства (RTU) для отправки контрольных данных обратно в центр управления. Большинство систем RTU всегда обладали некоторой способностью осуществлять локальное управление, пока главная станция недоступна. Однако с годами системы RTU становились все более и более способными осуществлять локальное управление.
Границы между системами DCS и SCADA / PLC стираются со временем. Технические ограничения, которые лежали в основе конструкции этих различных систем, больше не являются большой проблемой. Многие платформы ПЛК теперь могут работать достаточно хорошо в качестве небольших DCS с использованием удаленного ввода-вывода и достаточно надежны, чтобы некоторые системы SCADA фактически управляли замкнутым контуром управления на больших расстояниях. С увеличением скорости современных процессоров многие продукты DCS имеют полную линейку подсистем, подобных ПЛК, которые не были предложены при их первоначальной разработке.
В 1993 году с выпуском стандарта IEC-1131, позже ставшего -3, отрасль перешла к усилению стандартизации кода с помощью многоразового аппаратно-независимого управляющего программного обеспечения. 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. Они также могут быть запрограммированы 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, в которых используются проприетарные операционные системы, IPC используют Windows IoT. IPC обладают преимуществом мощных многоядерных процессоров с гораздо более низкими затратами на оборудование, 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 встроенный ПК. Новые аппаратные платформы и технологии внесли значительный вклад в развитие систем DCS и SCADA, еще больше размывая границы и меняя определения.
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайта Национального института стандартов и технологий https://www.nist.gov.
