Čo je SCADA systém: architektúra a jej fungovanie

Vo veľkých priemyselných podnikoch sa vyskytuje veľké množstvo procesov. Každý proces, ktorý musíte monitorovať, je veľmi zložitý, pretože každý stroj poskytuje iný výstup. Systém SCADA slúžil na zber údajov zo senzorov a prístrojov umiestnených v odľahlých oblastiach. Počítač potom tieto údaje spracuje a pohotovo ich poskytne. Systém SCADA zhromažďuje informácie (ako došlo k úniku z potrubia) a prenáša informácie späť do systému, pričom dáva výstrahy, že došlo k úniku, a zobrazuje informácie logickým a organizovaným spôsobom. Systém SCADA fungoval v operačných systémoch DOS a UNIX. Celý tento proces je známy ako automatizácia . Tento článok pojednáva o prehľade systému SCADA.

Čo je to SCADA systém?

SCADA znamená dozorná kontrola a zber dát. Je to typ softvérového aplikačného programu na riadenie procesov. SCADA je centrálny riadiaci systém, ktorý sa skladá z radiče sieťové rozhrania, vstup / výstup, komunikačné zariadenia a softvér. SCADA systémy sa používajú na monitorovanie a riadenie zariadení v priemyselných procesoch, ktoré zahŕňajú výrobu, výrobu, vývoj a výrobu. Medzi infraštruktúrne procesy patrí distribúcia plynu a ropy, elektrická energia, distribúcia vody. Medzi verejné služby patrí systém autobusovej dopravy, letisko. SCADA systém sníma údaje z meračov a v pravidelných intervaloch kontroluje stav snímačov tak, aby vyžadoval minimálne rušenie ľudí.

Všeobecná sieť SCADA

História SCADA

Ovládanie priemyselných závodov a výrobných podláh bolo možné predtým manuálne pomocou analógového vybavenia a tlačidiel. Keď sa veľkosť odvetvia rozrastala, využili časovače a relé na zabezpečenie supervíznej kontroly na pevnej úrovni pre minimálnu automatizáciu. Pre všetky priemyselné odvetvia bola teda nevyhnutná plne automatizovaná s efektívnejším systémom.

Vieme, že na účely priemyselnej kontroly boli počítače implementované v roku 1950. Potom bola implementovaná koncepcia telemetrie pre prenos dát aj pre virtuálne komunikácia . V roku 1970 bol spolu s mikroprocesormi a PLC vyvinutý systém SCADA.

Týmto koncepciám sa teda pomohlo pri vývoji automatizácie, ktorá je prevádzkovaná v priemyselných odvetviach na diaľku. Distribuované systémy SCADA boli implementované v roku 2000. Potom boli vyvinuté nové systémy SCADA na monitorovanie a kontrolu údajov v reálnom čase kdekoľvek na svete.

SCADA systémová architektúra

Všeobecne je systém SCADA centralizovaný systém, ktorý monitoruje a ovláda celú oblasť. Jedná sa o čistý softvérový balík, ktorý je umiestnený nad hardvérom. Dozorný systém zhromažďuje údaje o procese a do procesu odosiela riadenie príkazov. SCADA je vzdialená koncová jednotka, ktorá je tiež známa ako RTU.

Väčšinu riadiacich akcií vykonáva automaticky RTU alebo PLC. Jednotky RTU pozostávajú z programovateľného logického prevodníka, ktorý je možné nastaviť na konkrétne požiadavky. Napríklad v tepelnej elektrárni sa dá prietok vody nastaviť na konkrétnu hodnotu alebo sa môže meniť podľa požiadavky.

Systém SCADA umožňuje operátorom zmeniť nastavenú hodnotu prietoku a povoliť alarmové podmienky v prípade straty prietoku a vysokej teploty a stav sa zobrazuje a zaznamenáva. Systém SCADA monitoruje celkový výkon slučky. Systém SCADA je centralizovaný systém na komunikáciu s káblovou aj bezdrôtovou technológiou so zariadeniami Clint. Ovládacie prvky systému SCADA môžu bežať úplne všetky druhy priemyselného procesu.

Napríklad, ak sa v plynovode vytvára príliš vysoký tlak, systém SCADA môže automaticky otvoriť uvoľňovací ventil.

Hardvérová architektúra

Všeobecne možno systém SCADA rozdeliť do dvoch častí:

• Vrstva klienta
• Vrstva údajového servera

Clintova vrstva zabezpečuje interakciu človeka a stroja.

Vrstva údajového servera spracováva väčšinu procesu dátových aktivít.

SCADA stanica sa týka serverov a je zložená z jedného PC. Dátové servery komunikujú so zariadeniami v teréne prostredníctvom procesných radičov, ako sú PLC alebo RTU. PLC sú pripojené k dátovým serverom buď priamo, alebo prostredníctvom sietí alebo zberníc. SCADA systém využíva siete WAN a LAN, WAN a LAN pozostávajú z internetových protokolov používaných na komunikáciu medzi hlavnou stanicou a zariadeniami.

Fyzické vybavenie, ako sú snímače pripojené k PLC alebo RTU. Jednotky RTU prevádzajú signály snímača na digitálne údaje a odosielajú digitálne údaje do hlavnej jednotky. Podľa hlavnej spätnej väzby prijatej RTU aplikuje elektrický signál na relé. Väčšinu monitorovacích a riadiacich operácií vykonávajú RTU alebo PLC, ako vidíme na obrázku.

Hardvérová architektúra systému SCADA

Softvérová architektúra

Väčšina serverov sa používa na multitasking a databázu v reálnom čase. Servery sú zodpovedné za zhromažďovanie a spracovanie údajov. Systém SCADA pozostáva zo softvérového programu, ktorý poskytuje trendy, diagnostické údaje a správu informácií, ako sú postupy plánovanej údržby, logistické informácie, podrobné schémy pre konkrétny snímač alebo stroj a príručky na riešenie problémov so systémom odborníkov. To znamená, že operátor môže vidieť schematické znázornenie riadeného zariadenia.

Softvérová architektúra SCADA

Ide napríklad o kontrolu alarmov, výpočty, protokolovanie a archiváciu radičov výziev na základe sady parametrov, ktoré sú zvyčajne pripojené k serveru.

SCADA systém pracuje

Systém SCADA vykonáva nasledujúce funkcie

• Získavanie údajov
• Dátová komunikácia
• Informácie / prezentácia údajov
• Monitorovanie / kontrola

Tieto funkcie vykonávajú snímače, RTU, ovládače, komunikačná sieť. Senzory sa používajú na zhromažďovanie dôležitých informácií a RTU sa používajú na zasielanie týchto informácií do radiča a na zobrazovanie stavu systému. Podľa stavu systému môže užívateľ dať príkaz iným komponentom systému. Túto operáciu vykonáva komunikačná sieť.

Získavanie údajov

Systém v reálnom čase sa skladá z tisícov komponentov a senzorov. Je veľmi dôležité poznať stav jednotlivých komponentov a senzorov. Napríklad niektoré senzory merajú prietok vody zo zásobníka do vodnej nádrže a niektoré senzory merajú hodnotu tlaku pri uvoľňovaní vody z rezervoára.

Dátová komunikácia

Systém SCADA používa na komunikáciu medzi používateľmi a zariadeniami káblovú sieť. Aplikácie v reálnom čase používajú množstvo senzorov a komponentov, ktoré by sa mali ovládať na diaľku. Systém SCADA využíva internetovú komunikáciu. Všetky informácie sa prenášajú cez internet pomocou špecifických protokolov. Senzory a relé nie sú schopné komunikovať so sieťovými protokolmi, takže RTU sa používajú na komunikáciu senzorov a sieťových rozhraní.

Informácie / prezentácia údajov

Normálne okruhové siete majú niektoré indikátory, ktoré je možné ovládať, ale v systéme SCADA v reálnom čase sú tisíce senzorov a alarmov, ktoré nie je možné zvládnuť súčasne. SCADA systém používa rozhranie človek - stroj (HMI) poskytnúť všetky informácie zhromaždené z rôznych senzorov .

Monitorovanie / kontrola

SCADA systém používa na ovládanie každého zariadenia rôzne prepínače a zobrazuje stav riadenej oblasti. Pomocou týchto prepínačov je možné z riadiacej stanice zapnúť / vypnúť ktorúkoľvek časť procesu. Systém SCADA je implementovaný tak, aby pracoval automaticky bez ľudského zásahu, ale v kritických situáciách ho ovláda pracovná sila.

Súčasti SCADA

Medzi komponenty systému SCADA patria nasledujúce.

Systém dohľadu

Dozorný systém funguje ako komunikačný server medzi softvérom rozhrania človek - stroj v riadiacej miestnosti pracovných staníc a jeho prístrojmi, ako sú RTU, snímače, PLC atď. Menšie systémy SCADA zahŕňajú jednoducho jeden osobný počítač, ktorý slúži ako hlavný systém inak dozorný, zatiaľ čo veľké systémy SCADA zahŕňajú početné servery, stránky na zotavenie po tragédii, ako aj distribuované softvérové ​​aplikácie. Servery sú pripojené ako pohotovostný režim, inak sú dvojito redundantné a nepretržite monitorujú zlyhanie servera.

RTU (jednotky vzdialeného terminálu)

Jednotka RTU alebo vzdialená koncová jednotka je elektronické zariadenie a je tiež známa ako jednotky vzdialenej telemetrie. Tento systém obsahuje fyzické objekty, ktoré sú prepojené cez RTU.

Ovládanie týchto zariadení je možné pomocou mikroprocesorov. Tu sa používajú mikroprocesory na riadenie RTU, ktoré sa používajú na prenos zaznamenaných údajov do dozorného systému. Dáta je možné prijímať z nadradeného systému na riadenie pripojených objektov.

PLC (programovateľné logické kontroléry)

Termín PLC znamená programovateľné logické automaty, ktoré sa používajú v systémoch SCADA pomocou senzorov. Tieto regulátory sú pripojené k snímačom na prevod výstupného signálu zo snímača na digitálne údaje. V porovnaní s RTU sa používajú kvôli ich flexibilite, konfigurácii, všestrannosti a cenovej dostupnosti.

Komunikačná infraštruktúra

V systéme SCADA sa používa kombinácia rádiového a priameho káblového pripojenia. SONET alebo SDH je ale možné použiť aj pre nadradené systémy, ako sú elektrárne a železnice. Medzi kompaktnými protokolmi SCADA sa používa niekoľko štandardizovaných 7 rozpoznaných protokolov na doručenie informácií jednoducho, keď sú RTU vyzvedené cez kontrolnú stanicu.

SCADA programovanie

V HMI, ktorá je inak na hlavnej stanici, sa programovanie SCADA používa hlavne na vytváranie máp a diagramov, ktoré poskytujú veľmi dôležité informácie počas celého postupu, inak v prípade zlyhania udalosti. Väčšina komerčných systémov SCADA využíva konzistentné rozhrania v programovacom jazyku C, inak je možné použiť aj odvodený programovací jazyk.

Rozhranie človek - stroj

Systém SCADA využíva rozhranie človek - stroj. Informácie sú zobrazené a monitorované, aby ich mohol spracovať človek. HMI poskytuje prístup k viacerým riadiacim jednotkám, ktoré môžu byť PLC a RTU. HMI poskytuje grafické znázornenie systému.

Poskytuje napríklad grafický obraz čerpadla pripojeného k nádrži. Užívateľ môže vidieť prietok vody a tlak vody. Dôležitou súčasťou HMI je výstražný systém, ktorý sa aktivuje podľa vopred určených hodnôt.

Rozhranie človek - stroj

Napríklad , alarm hladiny vody v nádrži je nastavený na 60% a 70% hodnoty. Ak hladina vody dosiahne viac ako 60%, alarm vydá normálne varovanie a ak hladina vody dosiahne viac ako 70%, alarm vydá kritické varovanie.

Typy systému SCADA

SCADA systémy sú rozdelené do štyroch typov, ktoré zahŕňajú nasledujúce.

• Monolitické SCADA systémy
• Distribuované SCADA systémy
• Sieťové SCADA systémy
• SCADA systémy IoT

Monolitické SCADA systémy

Monolitické systémy SCADA sa nazývajú systémy skorej alebo prvej generácie. V týchto typoch systémov sa používajú minipočítače. Vývoj týchto systémov je možné uskutočniť, keď nie sú k dispozícii bežné sieťové služby. Návrh týchto systémov je možné vykonať ako nezávislé systémy bez vzťahu k iným systémom.

Dáta je možné zhromažďovať zo všetkých RTU pomocou záložného mainframu. Hlavné funkcie týchto systémov prvej generácie sú obmedzené na označovanie procesov v krízových prípadoch a na monitorovanie senzorov.

Distribuované SCADA systémy

Distribuované systémy SCADA sa nazývajú systémy druhej generácie. Distribúciu riadiacich funkcií je možné vykonať v mnohých systémoch pripojením k lokálnej sieti. Kontrolné operácie je možné vykonávať zdieľaním údajov a spracovania príkazov v reálnom čase.

V týchto typoch systémov sa veľkosť a náklady na každú stanicu znižujú, neexistovali však konzistentné sieťové protokoly. Pretože protokoly boli chránené, menej ľudí rozumie bezpečnosti systému SCADA počas inštalácie a tento faktor bol do značnej miery ignorovaný.

Sieťové SCADA systémy

Sieťové systémy SCADA sú tiež známe ako systémy tretej generácie. Sieťovanie a komunikáciu súčasných systémov SCADA je možné vykonať pomocou systému WAN prostredníctvom dátových liniek alebo telefónov. Prenos dát medzi dvoma uzlami je možné vykonať pomocou ethernetového alebo optického spojenia.

Tento typ systému SCADA sa používa PLC jednoducho upraviť a monitorovať operácie označovania, akonáhle je to potrebné pre hlavné voľby.

SCADA systémy IoT

SCADA systémy IoT sú systémy štvrtej generácie. V týchto systémoch sa náklady na infraštruktúru systému znižujú implementáciou internetu vecí cloud computing . Údržba a integrácia týchto systémov je v porovnaní s ostatnými jednoduchá.

V reálnom čase možno stav týchto systémov hlásiť prostredníctvom cloudového výpočtu. Preto možno vykonať implementáciu algoritmov, ako je zložité riadenie, ktoré sa často používajú na obvyklých PLC.

SCADA bezpečnosť

V súčasnosti sa siete SCADA v súčasných odvetviach priemyslu intenzívne využívajú na kontrolu a preskúmanie údajov v reálnom čase, je možné riadiť priemyselné procesy, komunikovať so zariadeniami. SCADA systémy sú teda nevyhnutné pre priemyselné organizácie, pretože tieto systémy zahŕňajú hardvér a softvér. Takže bezpečnosť SCADA je nevyhnutná aj v priemyselných odvetviach.

Termín bezpečnosť SCADA sa používa na ochranu sietí SCADA vyrábaných pomocou počítačového hardvéru. Sieť SCADA používaná v niektorých systémoch je elektrina , zemný plyn atď. Súkromné ​​a vládne organizácie prijali opatrenia týchto sietí z dôvodu dôležitej úlohy pri zaisťovaní bezpečnosti systémov SCADA.

Príklady bezpečnosti SCADA

Medzi hrozby, ktoré sa vyskytujú v systémoch SCADA, patria nasledujúce.

• Hackeri
• Teroristi
• Malvér
• Chyba vo vnútri

Slabosť bezpečnosti SCADA nastáva hlavne z nasledujúcich dôvodov.

• Slabý tréning
• Vývoj medzery v aplikácii
• Problémy pri monitorovaní
• Menej údržby

Systém SCADA je možné chrániť mapovaním všetkých súčasných systémov, monitorovaním a detekciou ústavu a vytváraním procesov na zabezpečenie siete.

Rozdiel medzi PLC a SCADA

Rozdiel medzi PLC a SCADA zahrnuje nasledujúce.

SCDA pre vzdialený priemyselný závod

Vo veľkých priemyselných podnikoch prebieha veľa procesov súčasne a každý z nich musí byť monitorovaný, čo je zložitá úloha. Systémy SCADA sa používajú na monitorovanie a riadenie zariadení v priemyselných procesoch, ktoré zahŕňajú distribúciu vody, distribúciu oleja a distribúciu energie. Hlavným cieľom tohto projektu je spracovanie údajov v reálnom čase a riadenie rozsiahleho vzdialeného priemyselného prostredia. V scenári v reálnom čase sa použije systém zaznamenávania teploty pre vzdialenú prevádzku zariadenia.

Bloková schéma priemyselného závodu na reguláciu teploty

Teplotné snímače sú pripojené k mikrokontroléru, ktorý je pripojený k počítaču na prednom konci, a do počítača sa nahráva softvér. Údaje sa zhromažďujú z teplotných senzorov. Teplotné snímače nepretržite vysielajú signál do mikrokontroléra, ktorý tieto hodnoty zobrazuje na svojom prednom paneli.

Na obrazovke počítača je možné nastaviť parametre ako dolný limit a vysoký limit. Keď teplota snímača stúpne nad nastavenú hodnotu, mikrokontrolér pošle príkaz na príslušné relé. Ohrievače pripojené cez kontakty relé sú VYPNUTÉ a ZAPNUTÉ.

Toto je systém zaznamenávania teploty. Tu je 8 teplotných snímačov v režime multiplexovania pripojených k mikrokontroléru cez ADC 0808. Potom sú hodnoty všetkých snímačov poslané sériovo mikrokontrolérom cez Max 32 na komunikáciu počítača. Softvér „DAQ System“ načítaný do počítača vezme tieto hodnoty, zobrazí ich na prednom paneli a tiež ich prihlási do databázy „daq.mdb“.

Interaktívnym spôsobom je možné nastaviť niektoré parametre, ako je nastavená hodnota, nízky limit a vysoký limit na obrazovke počítača. Keď teplota niektorého snímača stúpne nad nastavenú hodnotu, mikrokontrolér pošle príkazy reléovému ovládaču IC. Vykurovacie telesá pripojené prostredníctvom kontaktov relé sú (konkrétne pre tento snímač) vypnuté (alebo v opačnom prípade zapnuté). Horná a dolná hranica sú určené pre alarm. Keď teplota stúpne nad hornú alebo dolnú hranicu, alarm sa zapne.

SCADA pre vzdialený priemyselný závod

Výhody

Medzi výhody systému SCADA patria nasledujúce.

• Je možné zlepšiť kvalitu služieb
• Spoľahlivosť sa dá zlepšiť
• Náklady na údržbu sú nižšie
• Operáciu je možné znížiť
• Je možné monitorovať veľké parametre systému
• Pracovnú silu je možné znížiť
• Čas opravy je možné skrátiť
• Detekcia poruchy a lokalizácia poruchy
• Ukladá veľké množstvo dát
• Podľa požiadaviek používateľa zobrazuje údaje v rôznych formátoch.
• Tisíce senzorov môžu byť prepojené s SCADA na riadenie a monitorovanie
• Reálne simulácie údajov môžu získať operátori
• Dáva rýchlu odpoveď
• Je flexibilný a škálovateľný, zatiaľ čo pridáva ďalšie zdroje.
• Systém SCADA poskytuje palubné mechanické a grafické informácie
• Systém SCADA je ľahko rozšíriteľný. Môžeme pridať sadu riadiacich jednotiek a senzorov podľa požiadavky.
• Systém SCADA je schopný pracovať v kritických situáciách.

Nevýhody

Medzi nevýhody systému SCADA patria nasledujúce.

• Je to zložité z hľadiska závislých modulov a hardvérových jednotiek.
• Potrebuje analytikov, programátorov a kvalifikovaných operátorov, aby sa udržali
• Vysoké náklady na inštaláciu
• Miera nezamestnanosti sa dá zvýšiť
• Tento systém podporuje hardvérové ​​zariadenia a obmedzený softvér

Aplikácie

Aplikácie systému SCADA zahŕňajú nasledujúce.

• Výroba a distribúcia energie
• Verejná doprava
• Vodný a kanalizačný systém
• Výroba
• Odvetvia a budovy
• Komunikačné siete
• Ropný a plynárenský priemysel
• Výroba, prenos a distribúcia energie
• Systém rozvodu vody a zásobníka
• Verejné budovy, ako je elektrický vykurovací a chladiaci systém.
• Generátory a turbíny
• Systém riadenia semaforov

Toto je teda všetko o prehľad systému SCADA (Dozorná kontrola a získavanie údajov). Tento systém je riadený počítačom, ktorý slúži na riadenie a monitorovanie rôznych procesov v závodoch. Tento systém využíva grafické používateľské rozhranie (GUI), dátovú komunikáciu a rozšírenú správu monitorovacích systémov. Tu je otázka, čo je to PLC?

Fotografický kredit:

• Všeobecná sieť SCADA od mycpanel