רכישת נתונים וניטור מרחוק כפונקציה העיקרית של מערכת SCADA ו-DCS, PLC, זהה לאוטומציה של תהליכים תעשייתיים ומידע של המערכת הבסיסית הכרוכה.
מערכת SCADA
SCADA הוא ראשי תיבות של SupervisoryControI ו-Data AcquiSition System (Data Acquisition and Supervisory Control System), מערכת SCADA היא הפצה של יחידות ייצור למרחקים-מבוזרים של מערכת הייצור של מערכת רכישת נתונים, ניטור ובקרה.
יש לו מגוון רחב של יישומים, יכול לשמש בחשמל, מתכות, נפט, כימיקלים ותחומים אחרים של רכישת נתונים וניטור בקרה ובקרת תהליכים ותחומים רבים אחרים, שנמצאים בשימוש נרחב יותר במערכת החשמל, התפתחות הטכנולוגיה היא גם הבוגרת ביותר. הוא תופס עמדה חשובה במערכת הבקרה הטלפונית, ויכול לנטר ולשלוט בציוד ההפעלה- באתר כדי לממש את הפונקציות של רכישת נתונים, בקרת ציוד, מדידה, התאמת פרמטרים וסוגים שונים של אזעקות אותות, כלומר, מה שאנו מכירים כפונקציית "ארבעה-מרחוק".
RTU (Remote Terminal Unit) ו-FTU (Feeder Terminal Unit) הם המרכיבים החשובים שלה. בתחנות המשנה של היום בנייה ממלאת תפקיד חשוב מאוד. זוהי מערכת בקרת אוטומציה של ייצור הבנויה על מחשב אישי. כמובן, הפונקציות הנדרשות שונות עבור תחומי יישום שונים, אך לכולן יש את התכונות הבסיסיות הבאות: ממשק פעולה גרפי; סימולציה דינמית של מצב המערכת; תצוגת עקומת מגמת נתונים מיידית והיסטורית; מערכת עיבוד אזעקה; רכישת נתונים ורישום; פלט דיווח.
היסטוריית פיתוח מערכת SCADA
מערכת SCADA מאז הקמתה במועד הפיתוח של טכנולוגיית המחשב קשורה קשר הדוק לפיתוח מערכות SCADA עד היום חוותה ארבעה דורות.
הדור הראשון מבוסס על מחשב ייעודי ומערכת הפעלה ייעודית SCADA, כגון Power Automation Research Institute for the North China Power Grid SD176 מערכת שפותחה על ידי Hitachi ביפן עבור מערכת חשמול הרכבת של סין שתוכננה על ידי מערכת H-80M המרוחקת. שלב זה הוא מהמחשב ששימש למערכת SCADA כשהחלה עד שנות ה-70.
הדור השני הוא מערכת SCADA המבוססת על מחשבים-לכלליים בשנות ה-80. בדור השני, מחשבים אחרים כגון VAX ותחנות עבודה כלליות אחרות-נמצאות בשימוש נרחב, ומערכת ההפעלה היא בדרך כלל מערכת ההפעלה UNIX למטרות כלליות-. בשלב זה שולבו מערכות SCADA עם ניתוח תפעול כלכלי, בקרת ייצור אוטומטית (AGC) וניתוח רשת באוטומציה של שיגור רשת ליצירת מערכות EMS (מערכות ניהול אנרגיה).
המאפיין המשותף למערכות SCADA מהדור הראשון והשני היה שהן התבססו על מערכות מחשוב מרכזיות ולא היו פתוחות, מה שהקשה מאוד על תחזוקה, שדרוג וחיבור למערכות אחרות.
בשנות ה-90 בהתאם לעקרון הפתיחות, המבוסס על רשתות מחשבים מבוזרות וטכנולוגיית מסדי נתונים יחסיים להשגת מגוון רחב של מערכת EMS/SCADA ברשת הנקראת הדור השלישי. שלב זה הוא מערכת SCADA/EMS של סין היא השלב הצומח ביותר, מגוון של טכנולוגיות המחשב העדכניות ביותר מוכנסות למערכת SCADA/EMS. שלב זה הוא גם אוטומציה של מערכת החשמל בסין ובניית רשת של תקופת ההשקעה הגדולה ביותר, המדינה השקיעה 270 מיליארד יואן כדי להפוך את רשתות החשמל העירוניות והכפריות ניתן לראות באוטומציה של מערכת החשמל במדינה ובניית רשת של חשיבות התואר.
המאפיין העיקרי של הדור הרביעי של מערכת SCADA/EMS הוא השימוש בטכנולוגיית אינטרנט, טכנולוגיה מונחה עצמים-, טכנולוגיית רשתות עצביות וטכנולוגיית JAVA וטכנולוגיות אחרות, ממשיכים להרחיב את האינטגרציה של מערכת SCADA/EMS ומערכות אחרות, אבטחה מקיפה ותפעול כלכלי והצורך בתפעול מסחרי.
מערכת SCADA תכלול את תת המערכות הבאות:
1. ממשק מכונה אנושית (או בקיצור HMI)
מכשיר שיכול להציג את מצב התוכנית, המפעיל יכול לנטר ולשלוט בתוכנית בהתאם למכשיר זה, HMI יקושר למסד הנתונים והתוכנה של מערכת SCADA, יקרא את המידע הרלוונטי להצגת מגמות, נתוני אבחון ומידע ניהולי נלווה, כגון נהלי תחזוקה שוטפים, מידע לוגיסטי, חיישנים ספציפיים או דיאגרמות חיווט של מכונה, או יוכל לסייע בפתרון תקלות של מערכת המומחים.
מערכות HMI מציגות לעתים קרובות מידע על המערכת באופן גרפי ומדמות את המערכת בפועל עם תמונות. המפעיל יכול לראות תרשים של המערכת שיש לשלוט בה. לדוגמה, חיבור לאייקון משאבת הצינור, יכול להראות שהמשאבה פועלת, ואת זרימת הנוזל בצנרת, המפעיל יכול להפסיק את המשאבה, תוכנת HMI תציג את זרימת הנוזל בצנרת לאורך זמן. סימולציה תכלול דיאגרמות חיווט וסכמות לייצג את מרכיבי התהליך, אך עשויה גם להשתמש בתמונות של ציוד התהליך, יחד עם אנימציה כדי להמחיש את מצב התהליך.
תוכנת HMI של מערכת SCADA כוללת בדרך כלל תוכנת ציור המאפשרת למתחזק המערכת לשנות את הצגת המערכת ב-HMI. המצגת יכולה להיות פשוטה כמו שרק האורות על המסך, כשהאורות מציינים את המצב בפועל, יכולה להיות מורכבת כמו שימוש במספר מקרנים כדי להציג את כל המעליות במיקום גורדי השחקים או את כל הרכבות במיקום הרכבת.
בעת הטמעת מערכת SCADA, טיפול באזהרות הוא חלק חשוב מהמערכת. המערכת עוקבת אם תנאי האזהרה שצוינו מתקיימים כדי לקבוע אם התרחש אירוע אזהרה. כאשר יש אירוע אזהרה, המערכת תנקוט פעולה מתאימה, כגון הפעלת הוראות אזהרה אחת או יותר, או שליחת דואר אלקטרוני או SMS למנהל המערכת או למפעיל SCADA כדי ליידע שיש אירוע אזהרה. מפעילי SCADA צריכים לאשר את אירוע האזהרה, חלק מאירועי האזהרה באישור הוראות האזהרה יכובו, וחלק מחווני האזהרה ייכבו רק לאחר ביטול תנאי האזהרה.
2. מערכת ניטור (ממוחשבת).
ניתן לאסוף נתונים ולהגיש פקודות למעקב אחר התקדמות התוכנית.
3. יחידת מסוף מרוחקת (RTU)
ניתן לחבר את ה-RTU לחיישנים רבים המשמשים בתוכנית, והנתונים הדיגיטליים מועברים למערכת הניטור לאחר רכישת נתונים.
מערכות בקרת מסוף מרחוק (RTUs) יכולות להיות מחוברות לציוד אחר, ו-RTUs יכולים להמיר אותות חשמליים מציוד לערכים דיגיטליים, כגון מצב פתיחה/סגירה של מתג או שסתום, או הלחץ, הזרימה, המתח או הזרם הנמדדים על ידי מכשיר. ניתן גם להמיר ולהעביר באמצעות האות כדי לשלוט במכשיר, כגון מתג או שסתום ספציפי לפתיחה/סגירה, או להגדיר את מהירות המשאבה.
4. בקר לוגי ניתן לתכנות (בקר לוגי ניתן לתכנות, בקיצור PLC)
בגלל זה זול, רב תכליתי, אבל גם בשימוש נפוץ כמכשירי שטח, במקום פונקציות מיוחדות של מערכת בקרת המסוף מרחוק.
SCADA היא שכבת ניהול התזמון, PLC היא שכבת ציוד השטח. מערכת PLC, כלומר בקר ניתן לתכנות, מתאים למדידה ובקרה בשטח תעשייתי, פונקציות מדידה ובקרה בשטח, ביצועים יציבים, אמינות גבוהה, טכנולוגיה בוגרת, בשימוש נרחב ובמחיר סביר. SCADA מתמקד בניטור ובקרה, וניתן לממש אותו בחלק מהפונקציה הלוגית, המשמשת בעצם לחלק העליון; PLC אך ורק כדי להשיג את הפונקציה הלוגית ו-PLC פשוט מממשים את הפונקציה הלוגית והשליטה, לא מספקים ממשק מכונה -אנושי, מממשים את הפעולה בעזרת מחוון לחצן, מערכת HMI ו-SCADA;
5. רשת תקשורת
האם לספק מערכת ניטור ו-RTU (או PLC) בין הצינור להעברת נתונים.
מערכת SCADA מסורתית תשתמש בשידור, טורי או מודם כדי להשיג את פונקציית התקשורת, מערכת SCADA בקנה מידה גדול-(כגון תחנות כוח או מסילות ברזל) תשתמש לעתים קרובות בארכיטקטורה ברשת האופטית הסינכרונית (SONET) או המערכת הדיגיטלית הסינכרונית (SDH) ב-Ethernet או בפרוטוקולי הרשת. מערכת SCADA בפונקציית הניהול או הניטור מרחוק נקראת לעתים קרובות טלמטריה.
ארכיטקטורת מערכת SCADA טיפוסית
הפיתוח של מערכת SCADA עבר שלושה שלבים: שלב מערכת SCADA מרכזית, שלב מערכת SCADA מבוזרת ומערכת SCADA מרושתת.
מערכת SCADA מרכזית היא שכל פונקציות הניטור תלויות במארח (מיינפריים), באמצעות רשת רחבה כדי לחבר את ה-RTU השדה והמארח. פרוטוקול הרשת פשוט יחסית, עם פתיחות גרועה ופונקציונליות חלשה.
מערכת SCADA ברשת מבוססת על טכנולוגיות רשת שונות, עם מבנה בקרה מבוזר יותר וניהול מידע מרכזי יותר. המערכת מבוססת בדרך כלל על מבנה לקוח/שרת (C/S) ומבנה דפדפן/שרת (B/S), רוב מבנה המערכת מכיל את שני המבנים, אך מבנה ה-C/S הוא בעיקר מבנה B/S נועד בעיקר לתמוך ביישומי אינטרנט כדי לענות על הצרכים של ניטור מרחוק.
בהשוואה למערכת -הדור השני של SCADA, מערכת-הדור השלישי של SCADA פתוחה יותר במבנה, תאימות טובה יותר וניתן לשלב אותה בצורה חלקה בכל מערכת האוטומציה המקיפה של המפעל. מכיוון שקנה המידה של מערכת SCADA יכול לנוע בין כמה מאות נקודות לעשרות אלפי נקודות, הדרישה של המשתמש למערכת SCADA היא מגוונת, ולכן היא מציבה דרישות גבוהות לארכיטקטורת המערכת שלה.
מערכת SCADA שייכת למערכת אפליקציית מחשב מבוזרת טיפוסית, במערכת כזו הארכיטקטורה היא הדבר החיוני ביותר במערכת התוכנה, ארכיטקטורה טובה פירושה אוניברסלית, יעילה ויציבה. זה יכול להתמודד ביעילות עם מגוון רחב של צרכים אישיים. יחד עם זאת, הארכיטקטורה נשארת יציבה לפרק זמן מסוים. כאשר הדרישות משתנות, המתכנת יכול לעשות מבלי לשנות את הארכיטקטורה של המערכת.
1. ארכיטקטורת לקוח/שרת
מבנה C / S של תקשורת הלקוח והשרת בין דרך "תגובה בקשה -". הלקוח שולח בקשה לשרת והשרת מגיב לבקשה.
התכונה החשובה ביותר של ארכיטקטורת ה-C/S היא שלא מדובר בסביבת-slave מאסטר, אלא בסביבה שווה, כלומר, המחשבים במערכת C/S עשויים להיות גם לקוחות וגם שרתים בהזדמנויות שונות. ביישומי C / S, המשתמש מודאג רק עם הפתרון המלא של היישומים שלו, לא מודאג לגבי יישומים אלה על ידי המערכת איזה מחשב או מחשבים להשלים.
לדוגמה, במערכת SCADA, כאשר שרת SCADA מבקש נתונים מה-PLC, זה הלקוח, וכאשר תחנות הפעלה אחרות מבקשות שירותים משרת SCADA, זה השרת. ברור שמבנה זה יכול לעשות שימוש מלא ביתרונות של סביבת החומרה בשני הקצוות, ולהקצות באופן סביר משימות לצד הלקוח והשרת למימוש, ולהפחית את תקורה התקשורתית של המערכת.
2. מבנה דפדפן/שרת
עם הפופולריות והפיתוח של האינטרנט, המארח הקודם / מסוף ומבנה C / S לא יכול לעמוד ברשת הגלובלית הנוכחית פתוחה, מחוברת, מידע בכל מקום ושיתוף מידע של הדרישות החדשות, כך הופעתו של מבנה B / S.
מבנה B/S מאופיין ב: המשתמש יכול לעבור דרך הדפדפן כדי לגשת לאינטרנט לטקסט, נתונים, תמונות, אנימציה, וידאו-לפי-מידע על פי דרישה וקול, מידע זה נוצר על ידי שרתי אינטרנט רבים, וכל שרת אינטרנט יכול להיות מחובר למגוון דרכים ולשרתי מסד נתונים, כמות גדולה של נתונים המאוחסנים בפועל בשרת מסד הנתונים. היתרון הגדול ביותר של מבנה זה הוא: הלקוח מאוחד באמצעות הדפדפן, מה שלא רק הופך את המשתמש לקל לשימוש, אלא גם גורם ללקוח שאין לו בעיית תחזוקה.
3. השוואה בין שני המבנים
(1) היתרונות והחסרונות של מודל B/S
היתרונות של מבנה B / S מוצגים ב:
מאפיינים מבוזרים, אתה יכול לבצע שאילתות, לגלוש ותהליכים עסקיים אחרים בכל זמן ובכל מקום.
הרחבת העסק פשוטה ונוחה, באמצעות הוספת דפי אינטרנט יכולה להגביר את תפקוד השרת.
התחזוקה פשוטה ונוחה, רק צריך לשנות את דף האינטרנט, אתה יכול לממש את הסנכרון של כל המשתמשים לעדכון.
פיתוח פשוט ושיתוף חזק.
החסרונות של מבנה B／S הם כדלקמן:
התכונות המותאמות אישית מופחתות כמובן, ואי אפשר לממש את הדרישות של פונקציות מותאמות אישית.
הפעולה מבוססת על העכבר כאופן הפעולה הבסיסי ביותר, שאינו מסוגל לעמוד בדרישות הפעולה המהירה.
רענון עמוד דינמי, מהירות התגובה מופחתת משמעותית.
הפונקציות נחלשות, וקשה לממש את דרישות התפקוד המיוחדות במצב המסורתי.
(2) יתרונות וחסרונות של דגם C/S
היתרונות של מבנה C/S:
ככל שהלקוח מבין את החיבור הישיר עם השרת, אין קישור ביניים, ולכן מהירות התגובה מהירה.
ממשק התפעול יפה, מגוון ויכול לענות באופן מלא על הדרישות האישיות של הלקוח עצמו.
מבנה C/S של מערכת המידע הניהולית בעל יכולות עיבוד עסקה חזקות, יכול לממש תהליכים עסקיים מורכבים.
מבנה C / S של החסרונות של הביצוע:
הצורך בתוכנית התקנת לקוח מיוחדת, פונקציית ההפצה חלשה, עבור מגוון רחב של נקודות ואין לה את תנאי הרשת של קבוצת המשתמשים, לא יכול לממש את הפריסה המהירה של ההתקנה והתצורה.
לתאימות לקויה, לכלי פיתוח שונים, יש מגבלות גדולות יותר. אם אתה משתמש בכלים שונים, עליך לשכתב את התוכנית.
עלויות פיתוח גבוהות יותר, הדורשות רמה מסוימת של צוות טכני מקצועי להשלמתו.
ההבדל בין SCADA ל- DCS, PLC
מערכות בקרה תעשייתיות מכסות מגוון סוגים של מערכות בקרה, לפני שדיברנו על מערכות בקרה מבוזרות (DCS), בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC), הן ומערכת רכישת נתונים וניטור (SCADA) נפוצות יותר וקלות לבלבול. אז מה ההבדל בין SCADA, DCS ו- PLC?
DCS
מערכת DCS, או מערכת בקרה מבוזרת, היא מערכת המשמשת בעיקר לבקרת תהליכי ייצור באותה סביבה גיאוגרפית.
מערכות DCS משתמשות בניטור ובקרה מרכזיים כדי לתאם בקרים מקומיים לביצוע כל תהליך הייצור. על ידי מודולריזציה של מערכת הייצור, DCS מפחית את ההשפעה של כשלים בודדים על המערכת כולה. במערכות מודרניות רבות, מערכות DCS מתממשקות עם מערכות ארגוניות כדי לאפשר לתהליך הייצור לבוא לידי ביטוי בתפעול הכולל של העסק.
מערכות DCS נמצאות בשימוש נפוץ באזורי בקרה תעשייתיים כגון בתי זיקוק לנפט, מתקני טיהור שפכים, תחנות כוח, מפעלים כימיים ומפעלי תרופות. מערכות אלו משמשות בדרך כלל לבקרת תהליכים או מערכות בקרה בדידות.
SCADA
מערכות SCADA, או מערכות רכישת נתונים וניטור, הן מערכות ליבה לבקרה תעשייתית, המשמשות בעיקר לשליטה בנכסים מבוזרים על מנת לבצע איסוף נתונים מרכזי שחשוב לא פחות מהשליטה.
מערכות SCADA משלבות מערכות רכישת נתונים, מערכות העברת נתונים ותוכנת HMI כדי לספק ניטור ובקרה מרכזיים עבור כניסות ותפוקות תהליכים. מערכות SCADA נועדו לאסוף מידע מהשטח, להעביר מידע זה למערכת ממוחשבת ולהציג מידע זה בצורת תמונה או טקסט. כתוצאה מכך, מפעיל יכול לנטר ולשלוט על כל המערכת בזמן אמת ממקום מרוכז, לשלוט בכל אחת מהמערכות הבודדות לפי המורכבות וההגדרות הרלוונטיות של כל מערכת ולהפוך פעולות או משימות רלוונטיות לאוטומטיות, הניתנות לביצוע אוטומטית גם על ידי פקודות מפעיל.
מערכות SCADA משמשות בעיקר במערכות מבוזרות כגון טיפול במים, צינורות נפט וגז, מערכות הולכה והפצה של חשמל, מסילות ברזל ומערכות תחבורה ציבורית אחרות.
PLC
מערכת PLC, כלומר Programmable Logic Controller PLC היא דור חדש של מכשירי בקרה תעשייתיים המבוססים על הכנסת טכנולוגיית מיקרו-אלקטרוניקה, טכנולוגיית מחשבים, טכנולוגיית בקרה אוטומטית וטכנולוגיית תקשורת לבקרים הרציפים המסורתיים במטרה להחליף את פונקציות הבקרה הרציפות כגון ממסרים, לוגיקה ביצוע, שמירת זמן, ספירה וכו' והקמת מערכות בקרה מתוכנתות גמישות. הנציבות האלקטרוטכנית הבינלאומית (IEC) פרסמה את הוראות ה-PLC: בקר ניתן לתכנות הוא פעולת מחשוב דיגיטלית של המערכת האלקטרונית, המיועדת ליישום בסביבות תעשייתיות. הוא משתמש בזיכרון הניתן לתכנות, המשמש לאחסון הוראות לביצוע פעולות לוגיות, בקרה רציפה, תזמון, ספירה ופעולות אריתמטיות בתוכו, ולשליטה בסוגים שונים של מכונות או תהליכי ייצור באמצעות כניסות ויציאות דיגיטליות ואנלוגיות. בקר ניתן לתכנות והציוד הקשור אליו, צריך להיות קל ליצור שלם עם מערכת הבקרה התעשייתית, קל להרחיב את הפונקציונליות שלו של עקרון העיצוב.
בארכיטקטורת הרשת של אוטומציה ובקרה תעשייתית, PLC, כמרכיב בקרה חשוב, משמש בדרך כלל במערכות SCADA ו-DCS כדי לממש תפעול ובקרת תהליכים ספציפיים של ציוד תעשייתי ולספק ניהול תהליכים מקומי באמצעות בקרת לולאה.
במערכות SCADA, ה-PLC מתפקד כ-RTU (כלומר Remote Terminal Unit). בשימוש במערכות DCS, PLCs משמשים כבקרים מקומיים עם תוכנית בקרה פיקוחית. במקביל, PLCs משמשים לעתים קרובות כרכיבים חשובים להגדרת מערכות בקרה קטנות יותר.
ל-PLC יש זכרונות-ניתנים לתכנות למשתמש לאחסון הוראות להשגת פונקציות ספציפיות כגון בקרת קלט/פלט, לוגיקה, תזמון, ספירה, בקרת PID, תקשורת, חשבון, נתונים ועיבוד קבצים. עם התפתחות טכנולוגיית התקשורת, PLC גם מפרוטוקולי התקשורת הפרטיים הסגורים ועד לשימוש בפרוטוקולים ציבוריים פתוחים, משפרים מאוד את התאימות של המערכת ומקלים על תחזוקה ועדכון של המערכת.
מַסְקָנָה
מהאמור לעיל קל לראות: SCADA, DCS הוא מושג, ו-PLC הוא מוצר, השלושה אינם ברי השוואה:
1, PLC הוא מוצר שבאמצעותו הוא יכול להוות SCADA, DCS;
2, DCS היא בקרת תהליכים שפותחה, PLC היא מערכת בקרת ממסר- לוגית שפותחה;
3, PLC הוא התקן, DCS, SCADA היא המערכת.
באופן מצומצם, DCS משמש בעיקר לאוטומציה של תהליכים, PLC משמש בעיקר לאוטומציה של מפעלים (קו ייצור), SCADA מיועד בעיקר לצרכים-בשטח רחב, כגון שדות נפט, משתרעים לאורך אלפי קילומטרים של צינורות. אם מנקודת מבט המחשב והרשת, הם מאוחדים, הסיבה לכך שיש הבדל, בעיקר בדרישות האפליקציה, DCS דורשים לרוב אלגוריתמי בקרה מתקדמים. כמו בתעשיית זיקוק הנפט, PLC דורש מהירות עיבוד גבוהה, מכיוון שהוא משמש לעתים קרובות במערכות משולבות, ואפילו כשל-בטוחות, ל-SCADA יש גם כמה דרישות מיוחדות, כגון ניטור רעידות, חישוב זרימה, ויסות שיא ושפל וכן הלאה.
לכן, זה יכול להיחשב גם פשוט:
SCADA הוא ניהול התזמון
DCS היא שכבת ניהול המפעל
PLC היא שכבת ציוד השטח
מערכת SCADA היא היסטוריה ארוכה, אך עדיין בהתפתחות המהירה של הדברים ה"יילוד", עם מערכת מורכבת, תקני ממשק פתוח ועומק אינטגרציה ברשת האינטרנט ומאפיינים נוספים, הצורך לשלב ייצור, אקדמיה, מחקר ושימוש בכל ההיבטים של מחקר מערכת SCADA של תיאוריה וטכנולוגיה של אבטחת מידע, לעידוד יצרני מערכות SCADA מקומיים לצבור טכנולוגיות SCA לצבור טכנולוגיות מחקר ומעודדים חידושים לצבור טכנולוגיות מחקר. צוות כדי להגיע למתקדמים בעולם ברמה, ולקדם בהדרגה את השימוש במערכת SCADA מקומית עם זכויות קניין רוחני עצמאיות להחלפת מערכות זרות בתעשיות מפתח.