Overview of SCADA, DCS, and PLCs ОбзорSCADA, DCS, and PLCs

Текст:

Contents

Introduction…………………………………………………………….3

Введение….…………………………………………………………….4

1. Overview of SCADA, DCS, and PLCs ……….…………………….5

2. ICS Operation .……………………………….……………………...7

3. Control Components ........…………….…………………………….8

4. Network Components …………………....…………………………10

5. SCADA Systems ……………………….…………………………...11

6. Distributed Control Systems and PLСs…………………………..13

7. Industrial Sectors and Their Interdependencies ....……………...14

1. ОбзорSCADA, DCS, and PLCs…..………………………………16

2. Работа ICS – систем………………………………………………18

3. Компонентыуправления.………….…………………………….19

4. Компонентысетей ……………………....…………………………21

5. SCADA - системы ……………………….…………………………22

6. Распределенные системы управления и PLC..………………..24

7. Промышленные сектора и их взаимозависимость…………...25

Summary……………………………………………………………….27

Заключение..………………………………………………………….27

Glossary………………………………………………………………...29

References……………………………………………………………...38

Appendices..…………………………………………………………….39

Introduction

Industrial control system (ICS) is a general term that encompasses several types of control systems, including supervisory control and data acquisition (SCADA) systems, distributed control systems (DCS), and other control system configurations such as skid-mounted Programmable Logic Controllers (PLC) often found in the industrial sectors and critical infrastructures. ICS are typically used in industries such as electrical, water and wastewater, oil and natural gas, chemical, transportation, pharmaceutical, pulp and paper, food and beverage, and discrete manufacturing (e.g., automotive, aerospace, and durable goods.) These control systems are critical infrastructures that are often highly interconnected and mutually dependent systems. It is important to note that approximately 90 percent of the nation"s critical infrastructures are privately owned and operated. Federal agencies also operate many of the industrial processes mentioned above; other examples include air traffic control and materials handling (e.g., Postal Service mail handling.) This section provides an overview of SCADA, DCS, and PLC systems, including typical architectures and components. Several diagrams are presented to depict the network connections and components typically found on each system to facilitate the understanding of these systems. Keep in mind that actual implementations of ICS may be hybrids that blur the line between DCS and SCADA systems by incorporating attributes of both.

Введение

Промышленные системы управления (ICS) это общий термин, используемый для обозначения нескольких типов данных систем , включая системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), распределённые системы управления (DCS) и другие виды систем управления, которые можно встретить в промышленных секторах критически важных инфраструктур, например, поставленный на полозья программируемый логический контроллер (PLC). ICS-системы обычно используют в таких сферах хозяйства как электротехническая, нефтяная и газовая, химическая, фармацевтическая промышленность, водное и водоочистное хозяйство, производство древесной массы и бумаги, еды и напитков, а также производство автомобилей, самолетов, товаров длительного пользования и др. Такие системы управления очень важны для работы критически важных инфраструктур, так как они обычно взаимосвязаны и взаимозависимы. Также следует заметить, что около 90% критически важных инфраструктур страны принадлежат и управляются частными компаниями. Государственные службы также обслуживают многие из вышеупомянутых промышленных процессов, например управление воздушным движением или транспортировка материалов (почта). В этом реферате представлен общий взгляд на SCADA, DCS и PLC-системы, включая обзор архитектуры и ее компонентов. Представлено несколько схем с изображениями связей в сетях и типичных для каждой системы компонентов, чтобы упростить понимание этих систем. Не стоит забывать, что некоторые варианты ICS-систем могут совмещать в себе свойства и DCS и SCADA-систем, тем самым стирая грани между этими двумя типами.

1. Overview of SCADA, DCS, and PLCs

SCADA systems are highly distributed systems used to control geographically dispersed assets, often scattered over thousands of square kilometers, where centralized data acquisition and control are critical to system operation. They are used in distribution systems such as water distribution and wastewater collection systems, oil and natural gas pipelines, electrical power grids, and railway transportation systems. A SCADA control center performs centralized monitoring and control for field sites over long-distance communications networks, including monitoring alarms and processing status data. Based on information received from remote stations, automated or operator-driven supervisory commands can be pushed to remote station control devices, which are often referred to as field devices. Field devices control local operations such as opening and closing valves and breakers, collecting data from sensor systems, and monitoring the local environment for alarm conditions.

DCS are used to control industrial processes such as electric power generation, oil refineries, water and wastewater treatment, and chemical, food, and automotive production. DCS are integrated as a control architecture containing a supervisory level of control overseeing multiple, integrated sub-systems that are responsible for controlling the details of a localized process. Product and process control are usually achieved by deploying feed back or feed forward control loops whereby key product and/or process conditions are automatically maintained around a desired set point. To accomplish the desired product and/or process tolerance around a specified set point, specific PLCs are employed in the field and proportional, integral, and/or derivative settings on the PLC are tuned to provide the desired tolerance as well as the rate of self-correction during process upsets. DCS are used extensively in process-based industries.

Specialised computers, referred to as programmable logic controllers (PLCs), are frequently used to synchronize the flow of inputs from (physical) sensors and events with the flow of outputs to actuators and events. This leads to precisely controlled actions that permit a tight control of almost any industrial process.

PLCs are computer-based solid-state devices that control industrial equipment and processes. While PLCs are control system components used throughout SCADA and DCS systems, they are often the primary components in smaller control system configurations used to provide operational control of discrete processes such as automobile assembly lines and power plant soot blower controls. PLCs are used extensively in almost all industrial processes. The process-based manufacturing industries typically utilize two main processes:

Continuous Manufacturing Processes.These processes run continuously, often with transitions to make different grades of a product. Typical continuous manufacturing processes include fuel or steam flow in a power plant, petroleum in a refinery, and distillation in a chemical plant.

Batch Manufacturing Processes. These processes have distinct processing steps, conducted on a quantity of material. There is a distinct start and end step to a batch process with the possibility of brief steady state operations during intermediate steps. Typical batch manufacturing processes include food manufacturing.

The discrete-based manufacturing industries typically conduct a series of steps on a single device to create the end product. Electronic and mechanical parts assembly and parts machining are typical examples of this type of industry.

Both process-based and discrete-based industries utilize the same types of control systems, sensors, and networks. Some facilities are a hybrid of discrete and process-based manufacturing.

While control systems used in distribution and manufacturing industries are very similar in operation, they are different in some aspects. One of the primary differences is that DCS or PLC-controlled sub-systems are usually located within a more confined factory or plant-centric area, when compared to geographically dispersed SCADA field sites. DCS and PLC communications are usually performed using local area network (LAN) technologies that are typically more reliable and high speed compared to the long-distance communication systems used by SCADA systems. In fact, SCADA systems are specifically designed to handle long-distance communication challenges such as delays and data loss posed by the various communication media used. DCS and PLC systems usually employ greater degrees of closed loop control than SCADA systems because the control of industrial processes is typically more complicated than the supervisory control of distribution processes.

2. ICS Operation

The basic operation of an ICS is shown in Figure 1. Key components include the following:

Control Loop. A control loop consists of sensors for measurement, controller hardware such as PLCs, actuators such as control valves, breakers, switches and motors, and the communication of variables. Controlled variables are transmitted to the controller from the sensors. The controller interprets the signals and generates corresponding manipulated variables, based on set points, which it transmits to the actuators. Process changes from disturbances result in new sensor signals, identifying the state of the process, to again be transmitted to the controller.

Human-Machine Interface (HMI). Operators and engineers use HMIs to monitor and configure set points, control algorithms, and adjust and establish parameters in the controller. The HMI also displays process status information and historical information.

Remote Diagnostics and Maintenance Utilities. Diagnostics and maintenance utilities are used to prevent, identify and recover from abnormal operation or failures.

A typical ICS contains a proliferation of control loops, HMIs, and remote diagnostics and maintenance tools built using an array of network protocols on layered network architectures. Sometimes these control loops are nested and/or cascading –whereby the set point for one loop is based on the process variable determined by another loop. Supervisory-level loops and lower-level loops operate continuously over the duration of a process with cycle times ranging on the order of milliseconds to minutes.

3. Control Components

The following is a list of the major control components of an ICS:

Control Server. The control server hosts the DCS or PLC supervisory control software that communicates with lower-level control devices. The control server accesses subordinate control modules over an ICS network.

SCADA Server or Master Terminal Unit (MTU). The SCADA Server is the device that acts as the master in a SCADA system. Remote terminal units and PLC devices located at remote field sites usually act as slaves.

Remote Terminal Unit (RTU).The RTU, also called a remote telemetry unit, is a special purpose data acquisition and control unit designed to support SCADA remote stations. RTUs are field devices often equipped with wireless radio interfaces to support remote situations where wire-based communications are unavailable. Sometimes PLCs are implemented as field devices to serve as RTUs; in this case, the PLC is often referred to as an RTU.

Programmable Logic Controller (PLC).The PLC is a small industrial computer originally designed to perform the logic functions executed by electrical hardware (relays, switches, and mechanical timer/counters). PLCs have evolved into controllers with the capability of controlling complex processes, and they are used substantially in SCADA systems and DCS. Other controllers used at the field level are process controllers and RTUs; they provide the same control as PLCs but are designed for specific control applications. In SCADA environments, PLCs are often used as fielddevices because they are more economical, versatile, flexible, and configurable than special-purpose RTUs.

Intelligent Electronic Devices (IED).An IED is a “smart” sensor/actuator containing the intelligence required to acquire data, communicate to other devices, and perform local processing and control. An IED could combine an analog input sensor, analog output, low-level control capabilities, a communication system, and program memory in one device. The use of IEDs in SCADA and DCS systems allows for automatic control at the local level.

Human-Machine Interface (HMI).The HMI is software and hardware that allows human operators to monitor the state of a process under control, modify control settings to change the control objective, and manually override automatic control operations in the event of an emergency. The HMI also allows a control engineer or operator to configure set points or control algorithms and parameters in the controller. The HMI also displays process status information, historical information, reports, and other information to operators, administrators, managers, business partners, and other authorized users. The location, platform, and interface may vary a great deal. For example, an HMI could be a dedicated platform in the control center, a laptop on a wireless LAN, or a browser on any system connected to the Internet.

Data Historian.The data historian is a centralized database for logging all process information within an ICS. Information stored in this database can be accessed to support various analyses, from statistical process control to enterprise level planning.

Input/Output (IO) Server.The IO server is a control component responsible for collecting, buffering and providing access to process information from control sub-components such as PLCs, RTUs and IEDs. An IO server can reside on the control server or on a separate computer platform. IO servers are also used for interfacing third-party control components, such as an HMI and a control server.

4. Network Components

There are different network characteristics for each layer within a control system hierarchy. Network topologies across different ICS implementations vary with modern systems using Internet-based IT and enterprise integration strategies. Control networks have merged with corporate networks to allow control engineers to monitor and control systems from outside of the control system network. The connection may also allow enterprise-level decision-makers to obtain access to process data. The following is a list of the major components of an ICS network, regardless of the network topologies in use:

Fieldbus Network. The fieldbus network links sensors and other devices to a PLC or other controller. Use of fieldbus technologies eliminates the need for point-to-point wiring between the controller and each device. The devices communicate with the fieldbus controller using a variety of protocols. The messages sent between the sensors and the controller uniquely identify each of the sensors.

Control Network. The control network connects the supervisory control level to lower-level control modules.

Communications Routers. A router is a communications device that transfers messages between two networks. Common uses for routers include connecting a LAN to a WAN, and connecting MTUs and RTUs to a long-distance network medium for SCADA communication.

Firewall. A firewall protects devices on a network by monitoring and controlling communication packets using predefined filtering policies. Firewalls are also useful in managing ICS network segregation strategies.

Modems.A modem is a device used to convert between serial digital data and a signal suitable for transmission over a telephone line to allow devices to communicate. Modems are often used in SCADA systems to enable long-distance serial communications between MTUs and remote field devices. They are also used in SCADA systems, DCS and PLCs for gaining remote access for operational and maintenance functions such as entering commands or modifying parameters, and diagnostic purposes.

Remote Access Points.Remote access points are distinct devices, areas and locations of a control network for remotely configuring control systems and accessing process data. Examples include using a personal digital assistant (PDA) to access data over a LAN through a wireless access point, and using a laptop and modem connection to remotely access an ICS system.

5. SCADA Systems

SCADA systems are used to control dispersed assets where centralized data acquisition is as important as control. These systems are used in distribution systems such as water distribution and wastewater collection systems, oil and natural gas pipelines, electrical utility transmission and distribution systems, and rail and other public transportation systems. SCADA systems integrate data acquisition systems with data transmission systems and HMI software to provide a centralized monitoring and control system for numerous process inputs and outputs. SCADA systems are designed to collect field information, transfer it to a central computer facility, and display the information to the operator graphically or textually, thereby allowing the operator to monitor or control an entire system from a central location in real time. Based on the sophistication and setup of the individual system, control of any individual system, operation, or task can be automatic, or it can be performed by operator commands.

SCADA systems consist of both hardware and software. Typical hardware includes an MTU placed at a control center, communications equipment (e.g., radio, telephone line, cable, or satellite), and one or more geographically distributed field sites consisting of either an RTU or a PLC, which controls actuators and/or monitors sensors. The MTU stores and processes the information from RTU inputs and outputs, while the RTU or PLC controls the local process. The communications hardware allows the transfer of information and data back and forth between the MTU and the RTUs or PLCs. The software is programmed to tell the system what and when to monitor, what parameter ranges are acceptable, and what response to initiate when parameters change outside acceptable values. An IED, such as a protective relay, may communicate directly to the SCADA Server, or a local RTU may poll the IEDs to collect the data and pass it to the SCADA Server. IEDs provide a direct interface to control and monitor equipment and sensors. IEDs may be directly polled and controlled by the SCADA Server and in most cases have local programming that allows for the IED to act without direct instructions from the SCADA control center. SCADA systems are usually designed to be fault-tolerant systems with significant redundancy built into the system architecture.

Figure 2 shows the components and general configuration of a SCADA system. The control center houses a SCADA Server (MTU) and the communications routers. Other control center components include the HMI, engineering workstations, and the data historian, which are all connected by a LAN. The control center collects and logs information gathered by the field sites, displays information to the HMI, and may generate actions based upon detected events. The control center is also responsible for centralized alarming, trend analyses, and reporting. The field site performs local control of actuators and monitors sensors. Field sites are often equipped with a remote access capability to allow field operators to perform remote diagnostics and repairs usually over a separate dial up modem or WAN connection. Standard and proprietary communication protocols running over serial communications are used to transport information between the control center and field sites using telemetry techniques such as telephone line, cable, fiber, and radio frequency such as broadcast, microwave and satellite.

The four basic architectures shown in Figure 3 can be further augmented using dedicated communication devices to manage communication exchange as well as message switching and buffering. Large SCADA systems, containing hundreds of RTUs, often employ sub-MTUs to alleviate the burden on the primary MTU.

Figure 4 shows an example of a SCADA system implementation. This particular SCADA system consists of a primary control center and three field sites. A second backup control center provides redundancy in the event of a primary control center malfunction. Point-to-point connections are used for all control center to field site communications, with two connections using radio telemetry. The third field site is local to the control center and uses the wide area network (WAN) for communications. A regional control center resides above the primary control center for a higher level of supervisory control. The corporate network has access to all control centers through the WAN, and field sites can be accessed remotely for troubleshooting and maintenance operations. The primary control center polls field devices for data at defined intervals (e.g., 5 seconds, 60 seconds) and can send new set points to a field device as required. In addition to polling and issuing high-level commands, the SCADA server also watches for priority interrupts coming from field site alarm systems.

6. 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.

7. Industrial Sectors and Their Interdependencies

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.

1. Обзор SCADA, DCS, и PLC

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.

2. Работа ICS-систем

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.

3. Компоненты управления

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.

4. Компоненты сетей

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.

5. SCADA системы

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.

6. Распределенные системы управления и PLC

DCS используются для управления системами производства в пределах того же географического расположения, что и отрасли промышленности, таких как нефтеперерабатывающие заводы, воды и очистки сточных вод, генерирующих электроэнергию, химических заводов и фармацевтической переработке. Эти системы, как правило, являются частью дискретной системы управления процессом. DCS использует централизованную систему диспетчерского управления, посредником которой является группа локализованных контроллеров, которые разделяют общие задачи управления производственным процессом. По модульности системы производства, DCS уменьшают влияние одного сбоя на систему в целом.

ПЛК используются в обоих системах SCADA и DCS, компоненты управления основаны на общей иерархической системе, чтобы обеспечить местное управление процессами с помощью контроля обратной связи, как описано в разделах выше. В случае SCADA систем, они обеспечивают ту же функциональность RTU. При использовании в DCS, ПЛК реализованы как локальные контроллеры в рамках следящей схемы управления. ПЛК также реализованы в качестве первичных компонентов небольших конфигураций системы управления. ПЛК имеют программируемую пользователем память для хранения команд с целью реализации конкретных функций, таких как управление вводом / выводом, логики, временной, подсчета, три режима пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования, связи, арифметики. Рисунок 5показывает как контроль производственного процесса выполняется с помощью ПЛК через сеть полевой шины. ПЛК доступен через программный интерфейс, расположенный на инженерной станции, и данные хранятся в буфере данных, все соединены по локальной сети.

7. Промышленные сектора и их взаимозависимость

Системы SCADA и DCS часто соединены вместе. Это случай для центров управления электрической мощности и электрической энергии генерирующих мощностей. Хотя операции объекта генерации электрической энергии контролируется DCS, DCS должны взаимодействовать с системой SCADA для координации производства с требованиями передачи и распределения.

Критические инфраструктуры часто называют «система систем», из-за взаимозависимости, которые существуют между ее различных промышленными секторами, а также взаимосвязи между деловыми партнерами. Критические инфраструктуры весьма взаимосвязаны и взаимозависимы в сложных отношениях, как физически, так и через целый ряд информационных и коммуникационных технологий. Инцидент в одной инфраструктуре могжет прямо и косвенно влиять на другие инфраструктуры через каскадные неполадки.

Электрическая энергия часто считается одним из самых распространенных источников сбоев взаимозависимыми критических инфраструктур.

Summary

Currently, for manufacturing companies, the purpose of control system has shifted from increasing productivity and reducing costs, to broader issues, such as increasing quality and flexibility in the manufacturing process.

The old focus on using control system simply to increase productivity and reduce costs was seen to be short-sighted, because it is also necessary to provide a skilled workforce who can make repairs and manage the machinery. Moreover, the initial costs of control system were high and often could not be recovered by the time entirely new manufacturing processes replaced the old.

Another major shift in control system is the increased emphasis on flexibility and convertibility in the manufacturing process. Manufacturers are increasingly demanding the ability to easily switch from manufacturing Product A to manufacturing Product B without having to completely rebuild the production lines.

Заключение

В настоящее время, для фирм-производителей, задача систем управления переместилась от увеличения производительности и сокращения затрат, к более широкомасштабным проблемам, таким как увеличение качества и гибкости в производственном процессе.

Старый акцент, при использовании систем управления, на увеличение производительности и сокращение затрат, как замечалось, был близоруким, так как кроме этого необходимо обеспечить производство квалифицированной рабочей силой, выполняющей ремонт и управление машинами. Кроме того, начальные затраты на системы управления были высоки и часто не окупались к тому времени, когда новые производственные процессы заменяли старые.

Другое главное изменение в системах управления, увеличение акцента на гибкость и обратимость производственного процесса. Изготовители все более и более настаивают на способности легко перестраиваться с производства Продукта А на производство Продукта B, не выполняя полного переоборудования поточных линий.

Glossary

аsset	актив
field site	полевая шина
network	сеть
alarm	сигнализация
device	прибор
valve	клапан
breaker	выключатель
sensor	датчик
multiple	множественный
tolerance	толерантность
derivative	производная
programmable logic controller	программируемый логический контроллер
synchronize	синхронизировать
lead	провод
intermediate step	промежуточный шаг
аssembly	ассамблея
facilities	средства
hybrid	гибрид
similar	аналогичный
area	площадь
delay	задержка
loss	потеря
employ	использовать
greater	большая
degree	степень
сontrol loop	контур управления
мeasurement	измерение
hardware	аппаратура (аппаратное обеспечение)
actuator	привод
switch	переключатель
variable	переменная
signal	сигнал
human-machine interface (HMI)	человеко-машинный интерфейс (HMI)
monitor	дисплей
algorithm	алгоритм
establish	установить
maintenance	обслуживание
utilities	утилиты
recover	восстанавливать
abnormal	ненормальный
proliferation	распространение
protocol	протокол
layered	слоистый
architecture	архитектура
determined	определенный
supervisory-level	наблюдательный уровень
lower-level	нижний уровень
server	сервер
subordinate	подчиненный
telemetry	телеметрия
wireless	беспроводной
relay	реле
counter	счетчики
flexible	гибкий
analog signal	аналоговый сигнал
report	отчет
platform	платформа
hierarchy	иерархия
topology	топология
module	модуль
router	маршрутизатор
modem	модем
digital signal	цифровой сигнал
sophistication	изощренность
cable	кабель
interface	интерфейс
fiber	волокно
message	сообщение
production	производство
dimension	размер
actual	фактический
volume	объем
sometimes	иногда
unit	единица
structure	строение
use	использовать
demand	требовать
knowledge	знание
generally	вообще
shape	формировать
partly	частично
contain	содержать
amount	количество
rule	положение
generalization	обобщение
quantity	количество
basic	основная
typically	обычно
bond	связь
degree	степень
energy	энергия
distribute	распространять
determination	определение
fact	факт
property	свойство
change	изменение
uniform	равномерный
conventional	условный
way	путь
high	высокий
happen	происходить
diffuse	рассеивать
protection	защита
access	доступ
however	однако
coating	покрытие
important	важно
actually	фактически
magnitude	величина
empirically	эмпирически
deviation	отклонение
assembly	агрегат
resistance	сопротивление
isolate	изолировать
downgrade	понижать
ideally	идеально
control	управлять
rate	коэффициент
function	функция
circulation	циркуляция
steam	пар
although	хотя
quality	качество
size	размер
markedly	заметно
weigh	взвесить
overly	чрезмерно
immediate	непосредственный
irreversible	необратимость
depend	зависть
shape	форма
type	тип
medium	среда
consideration	рассмотрение
extend	расширять
construction	строительство
base	основание
require	требовать
limit	предел
few	немного
consult	консультировать
gain	получать
appropriate	соответствующий
deterioration	разрушение
ordinary	обыкновенный
surface	поверхность
interior	внутренний
layer	слой
accompany	сопровождать
differential	дифференциал
peak	пик
represent	представлять
require	требовать
member	элемент
trace	след
dip	опускать
consider	полагать
although	хотя
several	несколько
pressure	давление
greatly	значительно
improve	улучшить
heat	теплота
maintain	сохранять
advantage	преимущество
improve	улучшать
isolate	изолировать
gain	получать
study	изучать
geographic	географический
species	разновидность
recover	восстановить
term	термин
encompass	включать в себя
including	в том числе
acquisition	приобретение
distribut	распределять
skid-mounted	установленный на салазках
typically	типично
interconnect	взаимосвязывать
pipeline	трубопровод
monitoring	мониторинг
condition	условие
treatment	лечение
integrate	внедрять
contain	содержать
overseeing	контроль
multiple	многократный
responsible	ответственный
deploy	развертывать
accomplish	выполнять
рrimary	основной
provide	предоставить
discrete	дискретный
utilize	использовать
сontinuously	непрерывно
transitions	переход
different	другой
grade	сорт
distillation	дистилляция
chemical	химическая
plant	завод
вatch	партия
intermediate	промежуточный
food	еда
offer	предлагать
once	как только, один раз
origin	начало
outline	очерчивать, схема
overcome	преодолевать
overflow	переполнение
maintain	поддерживать
majority	большинство
manageable	управляемый
mention	упоминать, ссылка
might	мочь
mind	возражать, мнение
minor	незначительный
miss	пропустить, промах
modest	скромный, умеренный
motivate	мотивировать
multiple	многочисленный, составной
multiple-query	многозапросносный
multivariate	многомерный
accept	принимать
according	в соответствии с
adjacent	смежный
advance	совершенствовать, опережать,
although	хотя, не взирая на
amount	составлять, означать
appear	появляться
applied	прилагать, прикладной
appropriate	подходящий, уместно
appropriately	соответственно
arbitrarily	произвольно
argue	доказывать, спорить

References

1. Keith Stouffer; Joe Falco; Karen Scarfone «Guide to Industrial Control Systems (ICS) Security», SP800-82. Part. 2, 15 – 28.

2. Абрамов В.А. и др. Русско-английский физический словарь. 75000 терминов Под ред. В. Д. Новикова. — М. : РУССО, 2000г.

3. Адамчик Н.В. Большой англо-русский словарь. Минск:Литература, 1998г.

4. Докштейн С.Я., Макарова Е.А., Радоминова С.С. Практический курс перевода научно-технической литературы. М.: Военное издательство, 1973г.

5. Коркин В.Д., Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Англо-русский, русско-английский словарь технических терминов и словосочетаний, М.:АВОК-ПРЕСС, 2001г.

6. Кортни Р. Английские фразовые глаголы. Англо-русский словарь М.:Русский язык - Медиа, 2000г.

7. Климзо Б.Н. Русско-английский словарь общеупотребительных слов и словосочетаний научно-технической литературы. М.: «ЭТС», 2002г.

8. Лебедев Л.П., КлаудМ.Дж. Язык научного общения. Русско-английский словарь М.: Астрель, 2009г.

9. Модестов В.С. Краткий словарь трудностей английского языка. От текста к контексту М.:Русский язык - Медиа, 2005г.

10.Михеева А.В., Савинова Е.С., Смирнова Е.С., Чёрная А.И. Словарь-минимум для чтения научной литературы на английском языке., М.:Академии наук СССР, 1963 г.

11. Пумпянский А.Л. Чтение и перевод английской научной и технической литературы (фонетика, грамматика, лексика)., М.:Академии наук СССР, 1962 г.

12. Циммерман М.Г., Веденеева К.З. Русско-английский научно-технический словарь переводчика, М.:Наука, 2003г.

Appendices