Co je SCADA systém: architektura a jeho fungování

Velké množství procesů probíhá ve velkých průmyslových podnicích. Každý proces, který musíte sledovat, je velmi složitý, protože každý stroj poskytuje jiný výstup. Systém SCADA slouží ke sběru dat ze senzorů a nástrojů umístěných ve vzdálených oblastech. Počítač poté tato data zpracuje a pohotově je předloží. Systém SCADA shromažďuje informace (jako došlo k úniku v potrubí) a přenáší informace zpět do systému a zároveň poskytuje výstrahy, že došlo k úniku, a zobrazuje informace logickým a organizovaným způsobem. Systém SCADA fungoval v operačních systémech DOS a UNIX. Celý tento proces je známý jako automatizace . Tento článek pojednává o přehledu systému SCADA.

Co je SCADA systém?

SCADA znamená supervizní kontrolu a sběr dat. Jedná se o typ softwarového aplikačního programu pro řízení procesů. SCADA je centrální řídicí systém, který se skládá z řadiče síťová rozhraní, vstup / výstup, komunikační zařízení a software. SCADA systémy se používají k monitorování a řízení zařízení v průmyslovém procesu, který zahrnuje výrobu, výrobu, vývoj a výrobu. Mezi infrastrukturní procesy patří distribuce plynu a ropy, elektrická energie, distribuce vody. Mezi veřejné služby patří systém autobusové dopravy, letiště. Systém SCADA odečítá měřiče a v pravidelných intervalech kontroluje stav senzorů tak, aby vyžadoval minimální rušení lidí.

Obecná SCADA síť

Historie SCADA

Dříve bylo možné ovládání průmyslových závodů a výrobních podlah provádět ručně pomocí analogového vybavení a tlačítek. Vzhledem k tomu, že velikost odvětví roste, využili časovače a relé k zajištění dohledové kontroly na pevné úrovni pro minimální automatizaci. Plně automatizovaný s efektivnějším systémem byl tedy nezbytný pro všechna průmyslová odvětví.

Víme, že pro účely průmyslové kontroly byly počítače implementovány v roce 1950. Poté byl implementován koncept telemetrie pro přenos dat i virtuální sdělení . V roce 1970 byl společně s mikroprocesory a PLC vyvinut systém SCADA.

Těmto konceptům tedy plně pomohly při vývoji automatizace, která je provozována v průmyslových odvětvích na dálku. Distribuované systémy SCADA byly implementovány v roce 2000. Poté byly vyvinuty nové systémy SCADA pro monitorování a řízení dat v reálném čase kdekoli na světě.

Architektura SCADA systému

Obecně je systém SCADA centralizovaným systémem, který monitoruje a ovládá celou oblast. Jedná se o čistý softwarový balíček, který je umístěn na vrcholu hardwaru. Dozorový systém shromažďuje data o procesu a odesílá řízení příkazů do procesu. SCADA je vzdálená koncová jednotka, která je také známá jako RTU.

Většinu kontrolních akcí provádí automaticky RTU nebo PLC. Jednotky RTU se skládají z programovatelného logického převodníku, který lze nastavit podle konkrétních požadavků. Například v tepelné elektrárně lze průtok vody nastavit na konkrétní hodnotu nebo jej lze změnit podle požadavku.

Systém SCADA umožňuje operátorům změnit nastavenou hodnotu průtoku a aktivovat alarmové podmínky v případě ztráty průtoku a vysoké teploty a stav se zobrazí a zaznamená. Systém SCADA sleduje celkový výkon smyčky. Systém SCADA je centralizovaný systém pro komunikaci s kabelovou i bezdrátovou technologií na zařízení Clint. Ovládací prvky systému SCADA mohou běžet úplně všechny druhy průmyslového procesu.

Například pokud se v plynovodu vytváří příliš velký tlak, systém SCADA může automaticky otevřít uvolňovací ventil.

Hardwarová architektura

Obecně SCADA systém lze rozdělit do dvou částí:

• Klientská vrstva
• Vrstva datového serveru

Clintova vrstva zajišťuje interakci člověka a stroje.

Vrstva datového serveru zpracovává většinu procesu datových aktivit.

SCADA stanice odkazuje na servery a skládá se z jednoho počítače. Datové servery komunikují se zařízeními v terénu prostřednictvím procesních řadičů, jako jsou PLC nebo RTU. PLC jsou připojeny k datovým serverům buď přímo, nebo prostřednictvím sítí nebo sběrnic. SCADA systém využívá sítě WAN a LAN, WAN a LAN se skládají z internetových protokolů používaných pro komunikaci mezi hlavní stanicí a zařízeními.

Fyzické zařízení, jako jsou senzory připojené k PLC nebo RTU. Jednotky RTU převádějí signály snímače na digitální data a odesílají digitální data do nadřazené jednotky. Podle zpětné vazby hlavního přijímače RTU aplikuje elektrický signál na relé. Většinu monitorovacích a kontrolních operací provádějí RTU nebo PLC, jak vidíme na obrázku.

Hardwarová architektura SCADA systému

Softwarová architektura

Většina serverů se používá pro multitasking a databázi v reálném čase. Servery jsou odpovědné za sběr a zpracování dat. Systém SCADA se skládá ze softwarového programu, který poskytuje trendy, diagnostická data a správu informací, jako jsou postupy plánované údržby, logistické informace, podrobná schémata pro konkrétní senzor nebo stroj a průvodce řešením problémů se systémem odborníka. To znamená, že operátor vidí schematické znázornění řízeného zařízení.

Softwarová architektura SCADA

Příkladem je kontrola alarmů, výpočty, protokolování a archivace řadičů dotazování na sadě parametrů, které jsou obvykle připojeny k serveru.

SCADA systém pracuje

SCADA systém plní následující funkce

• Sběr dat
• Datová komunikace
• Informace / Prezentace dat
• Monitorování / řízení

Tyto funkce jsou prováděny senzory, RTU, řadiči, komunikační sítí. Senzory se používají ke shromažďování důležitých informací a RTU se používají k odesílání těchto informací do řadiče a zobrazování stavu systému. Podle stavu systému může uživatel dát příkaz dalším komponentám systému. Tuto operaci provádí komunikační síť.

Sběr dat

Systém v reálném čase se skládá z tisíců komponent a senzorů. Je velmi důležité znát stav jednotlivých komponentů a senzorů. Například některé senzory měří průtok vody ze zásobníku do vodní nádrže a některé senzory měří hodnotový tlak při uvolňování vody ze zásobníku.

Datová komunikace

Systém SCADA používá kabelovou síť ke komunikaci mezi uživateli a zařízeními. Aplikace v reálném čase používají mnoho senzorů a komponent, které by měly být ovládány na dálku. Systém SCADA využívá internetovou komunikaci. Všechny informace jsou přenášeny přes internet pomocí specifických protokolů. Senzory a relé nejsou schopny komunikovat se síťovými protokoly, takže RTU slouží ke komunikaci senzorů a síťových rozhraní.

Prezentace informací / dat

Sítě normálních obvodů mají některé indikátory, které lze viditelně ovládat, ale ve SCADA systému v reálném čase existují tisíce senzorů a alarmů, které nelze zpracovat současně. SCADA systém používá rozhraní člověk-stroj (HMI) poskytnout všechny informace shromážděné z různých senzorů .

Monitorování / řízení

SCADA systém používá různé spínače k ​​ovládání každého zařízení a zobrazuje stav kontrolní oblasti. Pomocí těchto přepínačů lze z řídicí stanice zapnout / vypnout jakoukoli část procesu. Systém SCADA je implementován tak, aby fungoval automaticky bez lidského zásahu, ale v kritických situacích je ovládán pracovní silou.

SCADA komponenty

Součásti systému SCADA zahrnují následující.

Systém dohledu

Dozorový systém funguje jako komunikační server mezi softwarem rozhraní člověk-stroj v řídicí místnosti pracovních stanic a jeho aparátem, jako jsou RTU, senzory, PLC atd. Menší systémy SCADA zahrnují jednoduše jeden osobní počítač, který slouží jako hlavní jinak systém dohledu, zatímco velké systémy SCADA zahrnují četné servery, weby pro zotavení po tragédii i distribuované softwarové aplikace. Servery jsou připojeny jako pohotovostní formace, jinak jsou dvojitě redundantní a nepřetržitě monitorují selhání serveru.

RTU (jednotky vzdáleného terminálu)

RTU nebo vzdálená koncová jednotka je elektronické zařízení a je také známá jako vzdálené telemetrické jednotky. Tento systém zahrnuje fyzické objekty, které jsou propojeny prostřednictvím RTU.

Ovládání těchto zařízení lze provádět pomocí mikroprocesorů. Zde se používají mikroprocesory pro řízení RTU, které se používají k přenosu zaznamenaných dat směrem k systému dohledu. Data lze přijímat z hlavního systému pro ovládání připojených objektů.

PLC (programovatelné logické automaty)

Termín PLC znamená programovatelné logické automaty, které se používají v systémech SCADA pomocí senzorů. Tyto regulátory jsou připojeny k čidlům pro převod výstupního signálu čidla na digitální data. Ve srovnání s RTU se používají kvůli jejich flexibilitě, konfiguraci, univerzálnosti a cenové dostupnosti.

Komunikační infrastruktura

V systému SCADA se používá kombinace rádiového a přímého kabelového připojení. SONET nebo SDH lze ale také použít pro nadřazené systémy, jako jsou elektrárny a železnice. Mezi kompaktními SCADA protokoly se používá několik standardizovaných 7 rozpoznaných protokolů k doručování informací jednoduše, jakmile jsou RTU dotazovány přes kontrolní stanici.

Programování SCADA

V HMI, která je jinak na hlavní stanici, se programování SCADA používá hlavně k vytváření map a diagramů, které poskytují velmi důležité informace v průběhu postupu, jinak při selhání události. Většina komerčních systémů SCADA využívá konzistentní rozhraní v programovacím jazyce C. Jinak lze také použít odvozený programovací jazyk.

Rozhraní člověk-stroj

Systém SCADA používá rozhraní člověk-stroj. Informace jsou zobrazeny a sledovány, aby je mohl zpracovat člověk. HMI poskytuje přístup k více řídicím jednotkám, kterými mohou být PLC a RTU. HMI poskytuje grafickou prezentaci systému.

Například poskytuje grafický obrázek čerpadla připojeného k nádrži. Uživatel může vidět průtok vody a tlak vody. Důležitou součástí HMI je výstražný systém, který se aktivuje podle předem definovaných hodnot.

Rozhraní člověk-stroj

Například , alarm hladiny vody v nádrži je nastaven na hodnoty 60% a 70%. Pokud hladina vody dosáhne nad 60%, alarm vydá normální varování a pokud hladina vody dosáhne nad 70%, alarm vydá kritické varování.

Typy systému SCADA

SCADA systémy jsou rozděleny do čtyř typů, které zahrnují následující.

• Monolitické SCADA systémy
• Distribuované SCADA systémy
• Propojené SCADA systémy
• SCADA systémy IoT

Monolitické SCADA systémy

Monolitické systémy SCADA se nazývají systémy rané nebo první generace. V těchto typech systémů se používají minipočítače. Vývoj těchto systémů lze provést, pokud nejsou k dispozici běžné síťové služby. Navrhování těchto systémů lze provádět jako nezávislé systémy bez jakéhokoli vztahu k jiným systémům.

Data lze sbírat ze všech RTU pomocí záložního sálového počítače. Hlavní funkce těchto systémů první generace jsou omezeny na označování procesů v krizových případech a monitorování senzorů.

Distribuované SCADA systémy

Distribuované systémy SCADA se nazývají systémy druhé generace. Distribuci řídicích funkcí lze provést v mnoha systémech připojením k místní síti. Řídicí operace lze provádět sdílením dat a zpracování příkazů v reálném čase.

V těchto typech systémů se zmenšuje velikost a cena každé stanice, avšak neexistovaly žádné konzistentní síťové protokoly. Protože protokoly byly chráněné, méně lidí chápe zabezpečení systému SCADA, zatímco instalace a tento faktor byly do značné míry ignorovány.

Propojené SCADA systémy

Síťové systémy SCADA jsou také známé jako systémy třetí generace. Síťování a komunikaci současných systémů SCADA lze provádět pomocí systému WAN prostřednictvím datových linek nebo telefonů. Přenos dat mezi dvěma uzly lze provádět pomocí ethernetového nebo optického připojení.

Tento typ SCADA systému používá PLC jednoduše upravit a monitorovat operace označování, jakmile je nutné provést hlavní volby.

SCADA systémy IoT

IoT SCADA systémy jsou systémy čtvrté generace. V těchto systémech se náklady na infrastrukturu systému snižují implementací IoT prostřednictvím cloud computing . Údržba a integrace těchto systémů je ve srovnání s ostatními snadná.

V reálném čase lze stav těchto systémů hlásit prostřednictvím cloud computingu. Proto lze provést implementaci algoritmů, jako je složité řízení, které se často používají na obvyklých PLC.

Zabezpečení SCADA

V současné době se sítě SCADA ve velkém rozsahu používají v současných průmyslových odvětvích ke kontrole a zkoumání dat v reálném čase, lze řídit průmyslové procesy, komunikovat se zařízeními. SCADA systémy jsou tedy pro průmyslové organizace nezbytné, protože tyto systémy zahrnují hardware a software. Zabezpečení SCADA je tedy také nezbytné v průmyslových odvětvích.

Termín SCADA zabezpečení se používá k ochraně SCADA sítí, které jsou vyráběny s počítačovým hardwarem. Sítě SCADA používané některými systémy jsou elektřina , zemní plyn atd. Soukromé a vládní organizace přijaly opatření těchto sítí kvůli cenné úloze zajistit bezpečnost systémů SCADA.

Příklady zabezpečení SCADA

Mezi hrozby, které se vyskytují v systémech SCADA, patří následující.

• Hackeři
• Teroristé
• Malware
• Chyba uvnitř

Slabina zabezpečení SCADA nastává hlavně z následujících důvodů.

• Špatný trénink
• Vývoj mezer v aplikaci
• Problémy při monitorování
• Méně údržby

Systém SCADA lze chránit mapováním všech současných systémů, monitorováním a detekcí ústavu a vytvářením procesů pro zabezpečení sítě.

Rozdíl mezi PLC a SCADA

Rozdíl mezi PLC a SCADA zahrnuje následující.

SCDA pro vzdálený průmyslový závod

Ve velkých průmyslových podnicích probíhá mnoho procesů současně a každý z nich musí být monitorován, což je složitý úkol. Systémy SCADA se používají k monitorování a řízení zařízení v průmyslových procesech, které zahrnují distribuci vody, distribuci oleje a distribuci energie. Hlavním cílem tohoto projektu je zpracování dat v reálném čase a řízení rozsáhlého vzdáleného průmyslového prostředí. Ve scénáři v reálném čase je použit systém záznamu teploty pro vzdálený provoz zařízení.

Blokové schéma průmyslového závodu na regulaci teploty

Teplotní senzory jsou připojeny k mikrokontroléru, který je připojen k počítači na přední straně, a do počítače je nahrán software. Data jsou shromažďována z teplotních senzorů. Teplotní senzory nepřetržitě vysílají signál do mikrokontroléru, který odpovídajícím způsobem zobrazuje tyto hodnoty na svém předním panelu.

Na obrazovce počítače lze nastavit parametry jako dolní limit a horní limit. Když teplota snímače stoupne nad nastavenou hodnotu, mikrokontrolér odešle povel na příslušné relé. Topná tělesa připojená prostřednictvím kontaktů relé jsou vypnuta a zapnuta.

Toto je systém záznamu teploty. Zde je 8 teplotních senzorů v režimu multiplexování připojeno k mikrokontroléru přes ADC 0808. Poté jsou hodnoty všech senzorů posílány mikrokontrolérem sériově přes Max 32 na komunikační port PC. Softwarový „DAQ systém“ načtený do počítače tyto hodnoty převezme a zobrazí je na předním panelu a také je zaznamená do databáze „daq.mdb“.

Interaktivním způsobem lze nastavit některé parametry, jako je nastavená hodnota, dolní limit a horní limit na obrazovce počítače. Když se teplota některého snímače zvýší nad nastavenou hodnotu, mikrokontrolér odešle příkazy k relé IC řidiče. Topná tělesa připojená prostřednictvím kontaktů relé jsou (specifická pro tento snímač) vypnutá (nebo zapnutá v opačném případě). Horní a dolní limity jsou pro alarm. Když teplota stoupne nad horní nebo pod dolní mez, alarm se zapne.

SCADA pro vzdálený průmyslový závod

Výhody

Mezi výhody systému SCADA patří následující.

• Lze zlepšit kvalitu služeb
• Spolehlivost lze zlepšit
• Náklady na údržbu jsou nižší
• Operaci lze snížit
• Lze sledovat velké parametry systému
• Pracovní sílu lze snížit
• Čas opravy lze zkrátit
• Detekce chyb a lokalizace chyb
• Ukládá velké množství dat
• Podle požadavku uživatele zobrazuje data v různých formátech.
• Tisíce senzorů lze propojit se SCADA pro ovládání a monitorování
• Operátoři mohou získat simulace skutečných dat
• Dává rychlou odezvu
• Je flexibilní a škálovatelný při přidávání dalších zdrojů.
• Systém SCADA poskytuje palubní mechanické a grafické informace
• Systém SCADA je snadno rozšiřitelný. Můžeme přidat sadu řídicích jednotek a senzorů podle požadavku.
• Systém SCADA je schopen pracovat v kritických situacích.

Nevýhody

Mezi nevýhody systému SCADA patří následující.

• Je to komplexní z hlediska závislých modulů a hardwarových jednotek.
• K udržení potřebuje analytiky, programátory a zkušené operátory
• Vysoké instalační náklady
• Míra nezaměstnanosti lze zvýšit
• Tento systém podporuje hardwarová zařízení a omezený software

Aplikace

Mezi aplikace systému SCADA patří následující.

• Výroba a distribuce energie
• Veřejná doprava
• Vodní a kanalizační systém
• Výrobní
• Průmyslová odvětví a budovy
• Komunikační sítě
• Ropný a plynárenský průmysl
• Výroba, přenos a distribuce energie
• Systém rozvodu vody a nádrže
• Veřejné budovy, jako je elektrické vytápění a chlazení.
• Generátory a turbíny
• Systém řízení semaforu

O toto tedy jde přehled systému SCADA (Dozorčí kontrola a získávání dat). Tento systém je řízen počítačem a slouží k řízení a monitorování různých procesů v rostlinách. Tento systém využívá GUI (grafické uživatelské rozhraní), datovou komunikaci a rozšířenou správu monitorovacích systémů. Zde je otázka, co je to PLC?

Fotografický kredit:

• Obecná SCADA síť podle mycpanel