1 компоненты системы управления
Компоненты ICS Системы промышленного управления могут быть в целом разделены на две категории в зависимости от того, где они расположены: устройства центра управления и удаленные устройства сайта. Устройства центра управления расположены в Центре управления системой и включают интерфейс человеческой машины (HMI), инженерные рабочие станции и серверы истории (историк). Удаленные устройства сайта - это устройства, которые находятся на производственном сайте и напрямую связаны с приводами и датчиками, основной функцией которых является контроль и контроль физического процесса. Хотя устройства сайта обычно не взаимодействуют напрямую с людьми, они чаще подвергаются атаке и скомпрометированы, потому что производственные площадки обычно менее безопасны, чем центры управления.
1.1 Оборудование Центра управления
HMIS HMIS человека (иногда называемые SCADA) - это системы, которые позволяют операторам контролировать и управлять процессами. HMIS HMIS, как правило, являются чистыми программными приложениями, работающими на компьютере общего назначения, обычно работают в семействе Microsoft Windows в средах операционной системы. Общие HMI в промышленности включают Wonderware, Wincc Siemens, Rsview Rockwell и Areva E-Terra, а Kinseal также является хорошим выбором.
History Server Historian - это сервер базы данных, который записывает историю состояния системы управления процессом. В некоторых случаях, если историк достаточно мощный, его также можно использовать в качестве HMI для системы управления. Историк обычно работает на крупных операционных системах и общих аппаратных устройствах и обычно отражается в корпоративной сети.
1.2 Устройства удаленных сайтов
Удаленные устройства сайта включают ПЛК, РТУ удаленных терминалов, интеллектуальные электронные устройства IED и электронные реле. Хотя функции этих устройств сильно различаются, они могут быть примерно сгруппированы вместе на основе их местоположения и сходства. В этих устройствах также есть сходства в архитектуре аппаратного обеспечения, которые обычно обеспечивают аналоговый или цифровой вход/вывод (ввод) и функции управления. Они читают данные непосредственно с датчиков и отправляют операционные команды на приводы, а в некоторых случаях они подключены к другим полевым устройствам.
Упрощенное обсуждение устройств представлено в этой статье. Фактически, каждое из этих устройств, упомянутых выше (PLC, RTU, IED и электронные реле), выполняет определенную подмножество функций в модели взаимосвязи объекта системы управления (ORM). Например, RTU, которые обычно являются функцией систем SCADA, которые обеспечивают только управление вводами/выводами полевых веществ, выполняют выборку через датчики ввода/вывода полевых и индивидуально, RTU будет генерировать триггеры для приводов. Электронные реле всегда будут выполнять функции выборки и запуска. RTU будет генерировать точки полевых данных о состоянии состояния, а в некоторых случаях будет обрабатывать точки полевых данных командных данных. Реле генерируют точки полевых данных о состоянии состояния, но с меньшей вероятностью будут обрабатываются командованными точками полевых данных. RTUS, как правило, не имеет локальной функциональности управления, но реле имеют такую функциональность. В дополнение к общению с датчиками, приводами и функциями управления более высоким уровнем, ПЛК имеют важные локальные функции управления. Эти функции могут показаться похожими, но существуют значительные различия в ORM.
2 Типичная архитектура системы управления
На рисунке 1 показана типичная архитектура системы управления. В нем общий коммерческий ПК, управляющий HMI, связывается с полевыми устройствами, такими как ПЛК, через стандартные сетевые протоколы (например, Ethernet). Инженерная станция и база данных истории также являются обычными коммерческими ПК или серверами, которые общаются с полевыми устройствами через стандартные сетевые протоколы. Полевые устройства подключаются к другим полевым устройствам, используя протоколы промышленного управления на основе Ethernet, такие как Fieldbus. Некоторые полевые устройства подключаются к интеллектуальным устройствам, используя стандартные протоколы связи последовательной шины, такие как RS232 или RS485, и некоторые полевые устройства подключаются непосредственно с датчиками, устройствами I \ O и машинными устройствами.
3 Программируемый логический контроллер PLC
ПЛК - это полевое устройство, которое может быть подключено непосредственно к датчикам и приводам или другим полевым устройствам. Платы управляются локально через логические программы (обычно в формате, определенном в соответствии с стандартом IEC {0}}), и способны получать команды управления, а запросы на hmi с помощью системы управления. По сути, используйте те же базовые компоненты. Типы по существу используют те же базовые компоненты.
3.1 PLC Программирование
ПЛК могут быть запрограммированы с использованием одного из языков, перечисленных в IEC 61131-3:
Лестничная диаграмма (LD), графическая
Функциональная блочная диаграмма (FBD), графическая
Структурированный текст (ST), текстовый
Список инструкций (IL), текстовый
Диаграмма функций последовательности (SFC), графическая
ПЛК работает в циклических циклах, называемых «сканированием», которые состоят из входов, логического выполнения и выходов.
3.2 Общая модульная архитектура ПЛК
Модульные ПЛК состоит из отдельных модулей, соединенных задним планом. Несмодульный ПЛК интегрирует все компоненты в одну плату.
3.3 Взаимодействие модуля ПЛК
В архитектуре PLC общего назначения, показанной на рисунке 2, каждый модуль имеет физический слот, и ему присваивается ряд адресов обратной платы. Регистры интерфейса и воспоминания о буферах выявляются в диапазоне адресов обратной платы. Сообщения отправляются и получают модулями, которые читают и пишут в регистрах или других буферах модуля.
3.4 Модуль процессора
Модуль процессора является сердцем ПЛК. Он реализует координацию между модулями и иногда используется в качестве арбитра плана. Модуль процессора настраивает другие модули при питании, если они не хранят свои собственные конфигурации.
Модуль процессора интерпретирует и выполняет логику лестницы, считывает значения из модуля связи или модуля ввода -вывода, поддерживает рабочее состояние, запускает циклы «сканирования» логики лестницы и записывает выходные значения в модуль связи или модуль ввода/у.
3.5 модуль связи
Модули связи принимают код, связанный с протоколом связи из модуля процессора. Они берут данные о взаимодействии протокола по времени из модуля процессора, гарантируя, что модуль процессора находится в своем собственном контуре управления, чувствительного к во времени. Поскольку некоторые протоколы системы управления очень сложны, модуль связи может иметь высокую мощность обработки, поэтому модуль связи может быть таким же сложным, как и модуль процессора.
3.6 модули ввода/вывода
Модули ввода/вывода преобразуют сигналы между низким напряжением (3,3 вольта или 5 вольт), логики управления низким уровнем тока (Milliampere) и высоким напряжением (24 вольт или более), управление процессом высокого уровня тока (AMPERE). Аналоговые модули ввода-вывода содержат аналого-цифровые преобразователи (ADC) и цифровые в аналоговые преобразователи (DAC). Эти модули имеют относительно простую логику и относительно мало интеллектуального оборудования, и их единственная задача - преобразование между аналоговыми и цифровыми сигналами.
3.7 Процессоры общего назначения
Существует три типа архитектур процессоров, наиболее часто встречающихся в ПЛК:
Архитектура ARM (7 или 9 серии)
Архитектура серии Motorola/Freescale 68000
Силовая архитектура IBM
Архитектура ARM была разработана ARM, компанией, базирующейся в Великобритании с более чем 1700 сотрудниками. Арм не производит чипы, а скорее разрабатывает и лицензирует интеллектуальную собственность (ИС). (1) Архитектура ARM широко используется в встроенных системах и устройствах, и она имеет особенно большую долю потребительской электроники, такой как мобильные телефоны и личные цифровые помощники (PDA), с доли рынка более 90%. (2) Процессоры ARM могут работать в режиме Big-Endian или Little-Endian, а также могут использовать ARM (32- бит) и Thumb (16- бит) наборов. Процессоры Arm часто являются частью настроенных систем на чипах (SOCS).
Серия Motorola (теперь Freescale) 68000 представляет собой битовой комплексный набор инструкций (CISC). Это широко используется в встроенных системах. Это был самый продаваемый в мире 32- битовой архитектурный процессор в 2000 году, а серия 68000-большой.
Архитектура силовой архитектуры включает в себя PowerPC, микропроцессорную архитектуру снижения набора инструкций (RISC), реализованную IBM, Freescale, AMCC, Tundra и PA Semi, среди прочих. Архитектура Power использует последовательности Big-Endian Byte.
3.8 макет памяти
ПЛК обычно используют нелетую флэш-память для хранения прошивки модуля процессора и логических программ лестницы (или другие языки IEC 61131-3). Адрес флэш-памяти сопоставлен с адресным пространством процессора, как и регистры управления другими встроенными устройствами. RAM используется для хранения статуса времени выполнения.
3.9 Встроенные операционные системы
Многие встроенные операционные системы также являются операционными системами в реальном времени (RTO). Чтобы рассматриваться как RTO, операционная система должна быть «детерминированной задержкой или гарантировать задержку прерывания в худшем случае или время переключения контекста».
ПЛК часто используют коммерческие реализации RTO, такие как VXWORKS, Windows CE или QNX, но также могут использовать пользовательские «собственные» операционные системы. Несмотря на то, что он еще не распространен, некоторые производители начали использовать операционные системы на основе Linux на ПЛК.