Tổng quan về hệ thống điều khiển công nghiệp


Hệ thống điều khiển công nghiệp (ICS) là một thuật ngữ chung bao gồm một số loại hệ thống kiểm soát, bao gồm kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) hệ thống, hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và các cấu hình hệ thống điều khiển khác như Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) thường được tìm thấy trong các lĩnh vực công nghiệp và cơ sở hạ tầng quan trọng.

Một ICS bao gồm các tổ hợp các thành phần điều khiển (ví dụ: điện, cơ khí, thủy lực, khí nén) hoạt động cùng nhau để đạt được mục tiêu công nghiệp (ví dụ: sản xuất, vận chuyển vật chất hoặc năng lượng). Một phần của hệ thống chủ yếu liên quan đến việc sản xuất đầu ra được gọi là quá trình.

Phần điều khiển của hệ thống bao gồm đặc điểm kỹ thuật của đầu ra hoặc hiệu suất mong muốn. Kiểm soát có thể hoàn toàn tự động hoặc có thể bao gồm một con người trong vòng lặp. Các hệ thống có thể được cấu hình để vận hành chế độ vòng lặp mở, vòng kín và chế độ thủ công. Trong các hệ thống điều khiển vòng hở, đầu ra được điều khiển bởi các cài đặt đã thiết lập.

Trong vòng kín hệ thống điều khiển, đầu ra có ảnh hưởng đến đầu vào theo cách duy trì mục tiêu mong muốn. Ở chế độ thủ công, hệ thống được điều khiển hoàn toàn bởi con người. Một phần của hệ thống chủ yếu liên quan đến việc duy trì sự phù hợp với thông số kỹ thuật được gọi là bộ điều khiển (hoặc điều khiển).

Một ICS thông thường có thể chứa nhiều vòng điều khiển, Giao diện người máy (HMI) và các công cụ chẩn đoán và bảo trì từ xa được xây dựng bằng cách sử dụng một loạt các giao thức mạng. Các quy trình công nghiệp kiểm soát ICS thường được sử dụng trong các ngành điện, nước và nước thải, dầu và khí tự nhiên, hóa chất, vận chuyển, dược phẩm, bột giấy và thực phẩm và đồ uống và sản xuất riêng biệt (ví dụ: ô tô, hàng không vũ trụ và hàng hóa lâu bền).

Sự phát triển của hệ thống điều khiển công nghiệp

Nhiều ngày nay, ICS ICS phát triển từ việc đưa các khả năng CNTT vào các hệ thống vật lý hiện có, thường thay thế hoặc bổ sung các cơ chế kiểm soát vật lý. Ví dụ, các điều khiển kỹ thuật số nhúng thay thế các điều khiển cơ tương tự trong các máy và động cơ quay.

Những cải tiến về chi phí và hiệu suất đã khuyến khích sự phát triển này, dẫn đến nhiều công nghệ thông minh hiện nay của dòng sản phẩm như điện lưới thông minh, giao thông thông minh, tòa nhà thông minh và sản xuất thông minh. Mặc dù điều này làm tăng khả năng kết nối và mức độ quan trọng của các hệ thống này, nhưng nó cũng tạo ra nhu cầu lớn hơn về khả năng thích ứng, khả năng phục hồi, an toàn và bảo mật của chúng.

Kỹ thuật của ICS tiếp tục phát triển để cung cấp các khả năng mới trong khi duy trì vòng đời dài điển hình của các hệ thống này. Việc đưa các khả năng CNTT vào các hệ thống vật lý thể hiện hành vi mới nổi có ý nghĩa bảo mật. Các mô hình kỹ thuật và phân tích đang phát triển để giải quyết các đặc tính mới nổi này bao gồm sự phụ thuộc về an toàn, bảo mật, quyền riêng tư và tác động môi trường.

Các ngành công nghiệp của ICS và sự phụ thuộc lẫn nhau của họ

Hệ thống điều khiển được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau và cơ sở hạ tầng quan trọng, bao gồm sản xuất, phân phối và vận chuyển.

Công nghiệp sản xuất

Sản xuất trình bày một ngành công nghiệp lớn và đa dạng với nhiều quy trình khác nhau, có thể được phân loại thành sản xuất dựa trên quy trình và rời rạc.

Các ngành sản xuất dựa trên quy trình thường sử dụng hai quy trình chính:

Quy trình sản xuất liên tục

Các quy trình này chạy liên tục, thường có các chuyển tiếp để tạo các loại sản phẩm khác nhau.

Các quy trình sản xuất liên tục điển hình bao gồm dòng nhiên liệu hoặc hơi nước trong nhà máy điện, dầu mỏ trong nhà máy lọc dầu và chưng cất trong nhà máy hóa chất.

Quy trình sản xuất hàng loạt

Các quy trình này có các bước xử lý riêng biệt, được tiến hành trên một lượng vật liệu. Có một bước bắt đầu và kết thúc riêng biệt cho một quy trình hàng loạt với khả năng hoạt động trạng thái ổn định ngắn trong các bước trung gian. Quy trình sản xuất hàng loạt điển hình bao gồm sản xuất thực phẩm.

Các ngành sản xuất dựa trên rời rạc thường tiến hành một loạt các bước trên một thiết bị duy nhất để tạo ra sản phẩm cuối cùng. Lắp ráp linh kiện điện tử và cơ khí và gia công linh kiện là những ví dụ điển hình của loại hình công nghiệp này.

Cả hai ngành công nghiệp dựa trên quá trình và rời rạc đều sử dụng cùng loại hệ thống điều khiển, cảm biến và mạng. Một số cơ sở là sự kết hợp của sản xuất dựa trên quy trình và rời rạc.

Công nghiệp phân phối

ICS được sử dụng để kiểm soát các tài sản phân tán theo địa lý, thường nằm rải rác trên hàng ngàn km2, bao gồm các hệ thống phân phối như hệ thống phân phối nước và thu gom nước thải, hệ thống tưới tiêu nông nghiệp, đường ống dẫn dầu và khí tự nhiên, lưới điện và hệ thống giao thông đường sắt.

Sự khác biệt giữa sản xuất và phân phối ICS

Mặc dù các hệ thống điều khiển được sử dụng trong các ngành sản xuất và phân phối rất giống nhau trong hoạt động, nhưng chúng khác nhau ở một số khía cạnh. Các ngành công nghiệp sản xuất thường được đặt trong một nhà máy hạn chế hoặc khu vực tập trung vào nhà máy khi so sánh với các ngành phân phối địa lý phân tán.

Truyền thông trong các ngành sản xuất thường được thực hiện bằng cách sử dụng mạng cục bộ (Mạng LAN) các công nghệ thường đáng tin cậy và tốc độ cao hơn so với các công nghệ mạng diện rộng truyền thông đường dài (WAN) và không dây / RF (tần số vô tuyến) được sử dụng bởi các ngành phân phối.

ICS được sử dụng trong các ngành phân phối được thiết kế để xử lý các thách thức liên lạc đường dài như sự chậm trễ và mất dữ liệu do các phương tiện truyền thông khác nhau sử dụng. Các điều khiển bảo mật có thể khác nhau giữa các loại mạng.

ICS và phụ thuộc cơ sở hạ tầng quan trọng

Cơ sở hạ tầng quan trọng thường được gọi là một hệ thống của hệ thống, vì sự phụ thuộc lẫn nhau tồn tại giữa các ngành công nghiệp khác nhau cũng như sự kết nối giữa các đối tác kinh doanh. Cơ sở hạ tầng quan trọng có mối liên hệ chặt chẽ và phụ thuộc lẫn nhau trong

những cách phức tạp, cả về thể chất và thông qua một loạt các công nghệ thông tin và truyền thông. Một sự cố trong một cơ sở hạ tầng có thể, trực tiếp và gián tiếp, ảnh hưởng đến các cơ sở hạ tầng khác thông qua các tầng thất bại và leo thang.

Cả hai ngành công nghiệp truyền tải và phân phối điện đều sử dụng công nghệ điều khiển SCADA phân tán theo địa lý để vận hành các hệ thống năng động và liên kết cao bao gồm hàng ngàn tiện ích công cộng và tư nhân và hợp tác xã nông thôn để cung cấp điện cho người dùng cuối.

Một số Hệ thống SCADA giám sát và kiểm soát phân phối điện bằng cách thu thập dữ liệu từ và ra lệnh cho các trạm điều khiển trường từ xa theo địa lý từ một vị trí tập trung. Các hệ thống SCADA cũng được sử dụng để giám sát và kiểm soát phân phối nước, dầu và khí tự nhiên, bao gồm đường ống, tàu, xe tải và hệ thống đường sắt, cũng như hệ thống thu gom nước thải.

Các hệ thống SCADA và DCS thường được nối mạng với nhau. Đây là trường hợp cho các trung tâm điều khiển năng lượng điện và các cơ sở sản xuất điện. Mặc dù hoạt động của cơ sở sản xuất điện được điều khiển bởi DCS, DCS phải liên lạc với hệ thống SCADA để phối hợp đầu ra sản xuất với nhu cầu truyền tải và phân phối.

Năng lượng điện thường được cho là một trong những nguồn gây gián đoạn phổ biến nhất của các cơ sở hạ tầng quan trọng phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ, lỗi tầng có thể được bắt đầu bằng sự gián đoạn của mạng truyền thông vi sóng được sử dụng cho hệ thống SCADA truyền tải điện.

Việc thiếu khả năng giám sát và điều khiển có thể khiến một tổ máy phát điện lớn bị mất ngoại tuyến, một sự kiện sẽ dẫn đến mất điện tại một trạm biến áp truyền tải. Mất mát này có thể gây ra sự mất cân bằng lớn, gây ra sự cố xếp tầng trên lưới điện.

Điều này có thể dẫn đến mất điện diện tích lớn có khả năng ảnh hưởng đến sản xuất dầu và khí tự nhiên, hoạt động của nhà máy lọc dầu, hệ thống xử lý nước, hệ thống thu gom nước thải và hệ thống vận chuyển đường ống dựa vào lưới điện.

Các thành phần và hoạt động của ICS

Hoạt động cơ bản của một ICS được hiển thị trong Hình bên dưới. Một số quy trình quan trọng cũng có thể bao gồm các hệ thống an toàn. Các thành phần chính bao gồm:

Tổng quan về hệ thống điều khiển công nghiệp

Một ICS thông thường chứa nhiều vòng điều khiển, giao diện người và các công cụ chẩn đoán và bảo trì từ xa được xây dựng bằng cách sử dụng một loạt các giao thức mạng trên mạng lớp kiến trúc.

Một vòng điều khiển sử dụng các cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển (ví dụ: PLC) để thao tác một số quy trình được kiểm soát. Cảm biến là một thiết bị tạo ra phép đo một số thuộc tính vật lý và sau đó gửi thông tin này dưới dạng các biến được kiểm soát đến bộ điều khiển.

Bộ điều khiển diễn giải các tín hiệu và tạo ra các biến được thao tác tương ứng, dựa trên thuật toán điều khiển và các điểm đặt mục tiêu, nó truyền đến các bộ truyền động. Thiết bị truyền động như van điều khiển, bộ ngắt, công tắc và động cơ được sử dụng để thao tác trực tiếp quá trình được kiểm soát dựa trên các lệnh từ bộ điều khiển.

Các nhà khai thác và kỹ sư sử dụng giao diện của con người để giám sát và cấu hình các điểm đặt, thuật toán điều khiển và để điều chỉnh và thiết lập các tham số trong bộ điều khiển. Giao diện con người cũng hiển thị thông tin trạng thái quá trình và thông tin lịch sử. Chẩn đoán và tiện ích bảo trì được sử dụng để ngăn ngừa, xác định và phục hồi sau khi hoạt động bất thường hoặc thất bại.

Đôi khi các vòng điều khiển này được lồng và / hoặc xếp tầng theo đó điểm đặt cho một vòng lặp dựa trên biến quy trình được xác định bởi vòng lặp khác. Các vòng lặp cấp độ giám sát và các vòng lặp cấp thấp hơn hoạt động liên tục trong suốt thời gian của một quy trình với thời gian chu kỳ dao động theo thứ tự mili giây đến phút.

Tham khảo: Ấn bản đặc biệt của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ 800-82, Sửa đổi

Đọc tiếp:

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]

TNBlogs.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *