Industrielles Steuerungssystem - Industrial control system

Industrielles Kontrollsystem ( ICS ) ist ein allgemeiner Begriff, der verschiedene Arten von Kontrollsystemen und zugehörigen Instrumenten umfasst, die für die industrielle Prozesssteuerung verwendet werden . Steuerungssysteme können in ihrer Größe von wenigen modularen schalttafelmontierten Steuerungen bis hin zu großen miteinander verbundenen und interaktiven verteilten Steuerungssystemen (DCS) mit vielen Tausend Feldverbindungen reichen. Steuersysteme empfangen Daten von entfernten Sensoren, die Prozessvariablen (PVs) messen , vergleichen die gesammelten Daten mit gewünschten Sollwerten (SPs) und leiten Befehlsfunktionen ab, die verwendet werden, um einen Prozess durch die Endsteuerelemente (FCEs), wie zum Beispiel Regelventile , zu steuern .

Größere Systeme werden normalerweise durch SCADA-Systeme ( Supervisory Control and Data Acquisition) oder DCSs und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) implementiert, obwohl SCADA- und SPS-Systeme bis hin zu kleinen Systemen mit wenigen Regelkreisen skalierbar sind. Solche Systeme werden in großem Umfang in Industrien wie der chemischen Verarbeitung, der Zellstoff- und Papierherstellung, der Energieerzeugung, der Öl- und Gasverarbeitung und der Telekommunikation verwendet.

Diskrete Controller

Schalttafeleinbau-Controller mit integrierten Displays. Der Prozesswert (PV) und der Sollwert (SV) oder Sollwert liegen zum einfachen Vergleich auf derselben Skala. Der Reglerausgang wird als MV (Stellgröße) mit einem Bereich von 0-100% angezeigt.
Ein Regelkreis mit einem diskreten Controller. Feldsignale sind die Durchflussmessung vom Sensor und die Steuerausgabe an das Ventil. Ein Stellungsregler sorgt für den korrekten Ventilbetrieb.

Die einfachsten Regelsysteme basieren auf kleinen diskreten Reglern mit jeweils einem einzigen Regelkreis . Diese sind in der Regel tafelmontiert, was eine direkte Sicht auf die Fronttafel ermöglicht und ein manuelles Eingreifen durch den Bediener ermöglicht, entweder um den Prozess manuell zu steuern oder die Steuersollwerte zu ändern. Ursprünglich waren dies pneumatische Steuerungen, von denen einige noch im Einsatz sind, inzwischen aber fast alle elektronisch sind.

Mit Netzwerken dieser Steuerungen, die unter Verwendung von Industriestandardprotokollen kommunizieren, können recht komplexe Systeme erstellt werden. Die Vernetzung ermöglicht die Verwendung lokaler oder entfernter SCADA-Bedienerschnittstellen und ermöglicht die Kaskadierung und Verriegelung von Controllern. Mit zunehmender Anzahl von Regelkreisen für ein Systemdesign gibt es jedoch einen Punkt, an dem die Verwendung einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder eines verteilten Steuersystems (DCS) handhabbarer oder kostengünstiger ist.

Verteilte Steuerungssysteme

Funktionale Fertigungssteuerungsebenen. DCS (einschließlich SPS oder RTUs) arbeiten auf Ebene 1. Ebene 2 enthält die SCADA-Software und die Computerplattform.
Hauptartikel: Verteiltes Kontrollsystem

Ein Distributed Control System (DCS) ist ein digitales Prozessleitsystem für einen Prozess oder eine Anlage, bei dem Steuerungsfunktionen und Feldanschlussmodule im gesamten System verteilt sind. Mit zunehmender Anzahl von Regelkreisen wird DCS kostengünstiger als diskrete Controller. Darüber hinaus bietet ein DCS die Überwachung und Verwaltung großer industrieller Prozesse. In einem DCS ist eine Hierarchie von Controllern durch Kommunikationsnetzwerke verbunden , die zentrale Kontrollräume und lokale Überwachung und Steuerung in der Anlage ermöglichen.

Ein DCS ermöglicht eine einfache Konfiguration von Anlagensteuerungen wie kaskadierte Schleifen und Verriegelungen sowie eine einfache Anbindung an andere Computersysteme wie z. B. die Produktionssteuerung . Es ermöglicht auch eine ausgeklügeltere Alarmbehandlung, führt eine automatische Ereignisprotokollierung ein, macht physische Aufzeichnungen wie Kartenschreiber überflüssig und ermöglicht die Vernetzung der Steuerungsausrüstung und damit die lokale Positionierung der gesteuerten Ausrüstung, um den Verkabelungsaufwand zu reduzieren.

Ein DCS verwendet typischerweise kundenspezifische Prozessoren als Controller und verwendet entweder proprietäre Verbindungen oder Standardprotokolle für die Kommunikation. Ein- und Ausgabemodule bilden die peripheren Komponenten des Systems.

Die Prozessoren empfangen Informationen von Eingabemodulen, verarbeiten die Informationen und entscheiden von den Ausgabemodulen auszuführende Steueraktionen. Die Eingangsmodule empfangen Informationen von Messinstrumenten im Prozess (oder Feld) und die Ausgangsmodule übertragen Anweisungen an die Stellglieder, wie zum Beispiel Regelventile .

Die Feldeingänge und -ausgänge können entweder kontinuierlich ändernden werden analoge Signale zB Stromschleife oder 2 Zustandssignale , die entweder der Schalter an oder aus , wie beispielsweise Relaiskontakte oder einen Halbleiterschalter.

Verteilte Steuerungssysteme können normalerweise auch Foundation Fieldbus , PROFIBUS , HART , Modbus und andere digitale Kommunikationsbusse unterstützen, die nicht nur Ein- und Ausgangssignale, sondern auch erweiterte Meldungen wie Fehlerdiagnose und Statussignale übertragen.

SCADA-Systeme

Hauptartikel: SCADA

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) ist eine Leitsystemarchitektur , die Computer, vernetzte Datenkommunikation und grafische Benutzeroberflächen für ein übergeordnetes Prozessüberwachungsmanagement verwendet. Die Bedienoberflächen, die die Überwachung und die Ausgabe von Prozessbefehlen, wie z. B. Sollwertänderungen des Reglers, ermöglichen, werden über das Leitrechnersystem SCADA abgewickelt. Die Echtzeit-Steuerungslogik- oder Controller-Berechnungen werden jedoch von vernetzten Modulen durchgeführt, die mit anderen Peripheriegeräten wie speicherprogrammierbaren Controllern und diskreten PID-Controllern verbunden sind, die eine Schnittstelle zu der Prozessanlage oder -maschinerie bilden.

Das SCADA-Konzept wurde als universelles Mittel für den Fernzugriff auf eine Vielzahl lokaler Steuerungsmodule entwickelt, die von verschiedenen Herstellern stammen können und den Zugriff über Standard-Automatisierungsprotokolle ermöglichen . In der Praxis haben sich große SCADA-Systeme dahingehend entwickelt, dass sie in ihrer Funktion verteilten Steuerungssystemen sehr ähnlich sind , jedoch mehrere Schnittstellen mit der Anlage verwenden. Sie können umfangreiche Prozesse steuern, die mehrere Standorte umfassen können, und über große Entfernungen hinweg arbeiten. Dies ist eine häufig verwendete Architektur industrieller Steuerungssysteme, es gibt jedoch Bedenken, dass SCADA-Systeme anfällig für Cyberkriegs- oder Cyberterrorismusangriffe sind .

Die SCADA-Software arbeitet auf einer Überwachungsebene, da Steuerungsaktionen automatisch von RTUs oder SPS ausgeführt werden. Die SCADA-Steuerungsfunktionen sind in der Regel auf grundlegende Übersteuerungs- oder Überwachungsebeneneingriffe beschränkt. Ein Rückkopplungsregelkreis wird direkt von der RTU oder SPS gesteuert, aber die SCADA-Software überwacht die Gesamtleistung des Regelkreises. Beispielsweise kann eine SPS den Kühlwasserfluss durch einen Teil eines industriellen Prozesses auf einen Sollwert regeln, aber die SCADA-Systemsoftware ermöglicht es dem Bediener, die Sollwerte für den Durchfluss zu ändern. Das SCADA ermöglicht auch die Anzeige und Aufzeichnung von Alarmzuständen wie Durchflussverlust oder hohe Temperatur.

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Hauptartikel: Speicherprogrammierbare Steuerung
Siemens Simatic S7-400 System im Rack, von links nach rechts: Netzteil (PSU), CPU, Interfacemodul (IM) und Kommunikationsprozessor (CP).

SPS können von kleinen modularen Geräten mit Dutzenden von Ein- und Ausgängen (E/A) in einem in den Prozessor integrierten Gehäuse bis hin zu großen, im Rack montierten modularen Geräten mit Tausenden von E/A reichen, die oft miteinander vernetzt sind SPS- und SCADA-Systeme. Sie können für mehrere Anordnungen von digitalen und analogen Ein- und Ausgängen, erweiterten Temperaturbereichen, Immunität gegen elektrisches Rauschen und Vibrations- und Stoßfestigkeit ausgelegt werden. Programme zur Steuerung des Maschinenbetriebs werden typischerweise in einem batteriegepufferten oder nichtflüchtigen Speicher gespeichert .

Geschichte

Ein zentraler Kontrollraum vor der DCS-Ära. Obwohl die Kontrollen an einem Ort zentralisiert sind, sind sie dennoch diskret und nicht in ein System integriert.
Ein DCS-Kontrollraum, in dem Anlageninformationen und -steuerungen auf Computergrafikbildschirmen angezeigt werden. Die Bediener sitzen, da sie jeden Teil des Prozesses von ihren Bildschirmen aus betrachten und steuern können, während sie den Überblick über die Anlage behalten.

Die Prozesssteuerung großer Industrieanlagen hat sich in vielen Stufen entwickelt. Anfänglich erfolgte die Steuerung von Panels vor Ort in der Prozessanlage. Dies erforderte jedoch Personal, das sich um diese verteilten Gremien kümmerte, und es gab keinen Gesamtüberblick über den Prozess. Die nächste logische Weiterentwicklung war die Übertragung aller Anlagenmessungen an eine ständig besetzte zentrale Leitwarte. Oftmals befanden sich die Controller hinter den Kontrollraum-Panels, und alle automatischen und manuellen Steuerausgänge wurden einzeln in Form von pneumatischen oder elektrischen Signalen an die Anlage zurückgesendet. Tatsächlich war dies die Zentralisierung aller lokalisierten Panels mit den Vorteilen eines geringeren Personalbedarfs und eines konsolidierten Überblicks über den Prozess.

Während jedoch ein zentraler Steuerungsfokus bereitgestellt wurde, war diese Anordnung unflexibel, da jeder Regelkreis seine eigene Controller-Hardware hatte, so dass Systemänderungen eine Neukonfiguration der Signale durch Neuverkabelung oder Neuverdrahtung erforderten. Es erforderte auch eine ständige Bewegung des Bedieners innerhalb eines großen Kontrollraums, um den gesamten Prozess zu überwachen. Mit dem Aufkommen elektronischer Prozessoren, elektronischer Hochgeschwindigkeits-Signalnetzwerke und elektronischer grafischer Displays wurde es möglich, diese diskreten Controller durch computerbasierte Algorithmen zu ersetzen, die in einem Netzwerk von Ein-/Ausgabe-Racks mit ihren eigenen Steuerungsprozessoren gehostet werden. Diese könnten in der Anlage verteilt sein und mit den grafischen Displays in der Leitwarte kommunizieren. Das Konzept der verteilten Steuerung wurde realisiert.

Die Einführung der verteilten Steuerung ermöglichte eine flexible Verbindung und Neukonfiguration von Anlagensteuerungen wie kaskadierte Schleifen und Verriegelungen sowie die Verbindung mit anderen Produktionscomputersystemen. Es ermöglichte eine ausgeklügelte Alarmbehandlung, führte eine automatische Ereignisprotokollierung ein, machte physische Aufzeichnungen wie Diagrammschreiber überflüssig, ermöglichte die Vernetzung der Steuerschränke und damit die lokale Anbringung an der Anlage, um die Verkabelungswege zu reduzieren, und lieferte einen Überblick über den Anlagenstatus und Produktionsstufen bzw. Für große Steuerungssysteme wurde der allgemeine Handelsname Distributed Control System (DCS) geprägt, um sich auf proprietäre modulare Systeme vieler Hersteller zu beziehen, die Hochgeschwindigkeitsnetzwerke und eine vollständige Suite von Displays und Steuerungsracks integriert haben.

Während das DCS auf die Anforderungen großer kontinuierlicher industrieller Prozesse zugeschnitten war, entwickelte sich die SPS in Branchen, in denen kombinatorische und sequentielle Logik die Hauptanforderung war, aus der Notwendigkeit, Relais- und Timer-Racks für die ereignisgesteuerte Steuerung zu ersetzen. Die alten Steuerungen waren schwer umzukonfigurieren und zu debuggen, und die SPS-Steuerung ermöglichte die Vernetzung von Signalen zu einem zentralen Steuerbereich mit elektronischen Anzeigen. SPS wurden zuerst für die Automobilindustrie in Fahrzeugproduktionslinien entwickelt, wo die sequentielle Logik sehr komplex wurde. Es wurde bald in einer Vielzahl anderer ereignisgesteuerter Anwendungen eingesetzt, so unterschiedlich wie Druckmaschinen und Wasseraufbereitungsanlagen.

Die Geschichte von SCADA wurzelt in Verteilungsanwendungen wie Strom-, Erdgas- und Wasserpipelines, bei denen Ferndaten über potenziell unzuverlässige oder intermittierende Verbindungen mit niedriger Bandbreite und hoher Latenz gesammelt werden müssen. SCADA-Systeme verwenden eine Open-Loop-Steuerung mit Standorten, die geografisch weit voneinander entfernt sind. Ein SCADA-System verwendet Remote Terminal Units (RTUs), um Überwachungsdaten an ein Kontrollzentrum zurückzusenden. Die meisten RTU-Systeme hatten immer eine gewisse Kapazität für die lokale Steuerung, während die Hauptstation nicht verfügbar ist. Im Laufe der Jahre sind RTU-Systeme jedoch immer besser in der Lage, eine lokale Steuerung zu bewältigen.

Die Grenzen zwischen DCS- und SCADA/PLC-Systemen verschwimmen im Laufe der Zeit. Die technischen Grenzen, die die Designs dieser verschiedenen Systeme trieben, sind nicht mehr so ​​wichtig. Viele SPS-Plattformen können jetzt als kleines DCS mit Remote-I/O recht gut funktionieren und sind so zuverlässig, dass einige SCADA-Systeme tatsächlich eine Closed-Loop-Steuerung über große Entfernungen verwalten. Mit der zunehmenden Geschwindigkeit heutiger Prozessoren verfügen viele DCS-Produkte über eine vollständige Palette von SPS-ähnlichen Subsystemen, die bei ihrer ursprünglichen Entwicklung nicht angeboten wurden.

1993, mit der Veröffentlichung von IEC-1131, später IEC-61131-3 , bewegte sich die Industrie in Richtung einer verstärkten Code-Standardisierung mit wiederverwendbarer, hardwareunabhängiger Steuerungssoftware. Erstmals wurde die objektorientierte Programmierung (OOP) innerhalb industrieller Steuerungssysteme möglich. Dies führte zur Entwicklung sowohl von programmierbaren Automatisierungssteuerungen (PAC) als auch von Industrie-PCs (IPC). Dies sind Plattformen, die in den fünf standardisierten IEC-Sprachen programmiert sind: Kontaktplanlogik, strukturierter Text, Funktionsblock, Anweisungsliste und sequentielles Funktionsdiagramm. Sie können auch in modernen Hochsprachen wie C oder C++ programmiert werden. Darüber hinaus akzeptieren sie Modelle, die in Analysetools wie MATLAB und Simulink entwickelt wurden . Im Gegensatz zu herkömmlichen SPS, die proprietäre Betriebssysteme verwenden, verwenden IPCs Windows IoT . IPCs haben den Vorteil leistungsstarker Mehrkernprozessoren mit viel geringeren Hardwarekosten als herkömmliche SPS und passen gut in mehrere Formfaktoren wie DIN-Schienenmontage, kombiniert mit einem Touchscreen als Panel-PC oder als Embedded-PC. Neue Hardwareplattformen und Technologien haben wesentlich zur Entwicklung von DCS- und SCADA-Systemen beigetragen, die Grenzen weiter verwischt und Definitionen verändert.

Sicherheit

SCADA und SPS sind anfällig für Cyberangriffe. Die Joint Capability Technology Demonstration (JCTD) der US-Regierung, bekannt als MOSAICS (More Situational Awareness for Industrial Control Systems), ist die erste Demonstration der Abwehrfähigkeit der Cybersicherheit für Kontrollsysteme kritischer Infrastrukturen. MOSAICS adressiert den operativen Bedarf des Verteidigungsministeriums (DOD) an Cyber-Defense-Fähigkeiten, um Kontrollsysteme kritischer Infrastrukturen vor Cyber-Angriffen zu schützen, wie Strom, Wasser und Abwasser sowie Sicherheitskontrollen, die die physische Umgebung beeinträchtigen. Der Prototyp des MOSAICS JCTD wird im Rahmen von Industry Days der kommerziellen Industrie zur weiteren Forschung und Entwicklung zur Verfügung gestellt, ein Ansatz, der zu innovativen, bahnbrechenden Fähigkeiten für die Cybersicherheit für Kontrollsysteme kritischer Infrastrukturen führen soll.

Siehe auch

Verweise

Gemeinfrei Dieser Artikel enthält  gemeinfreies Material von der Website des National Institute of Standards and Technology https://www.nist.gov .

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Externe Links