سامانه کنترل صنعتی
سامانه کنترل صنعتی یک اصطلاح عمومی است که شامل انواع مختلفی از سامانه‌های کنترل وابزار مربوطه برای کنترل فرایند صنعتی می‌باشد.چنین سامانه‌هایی میتوانند از چند کنترل‌کننده پنل ماژولار به سامانه‌های توزیع شده با سامانه‌های توزیع شده و متقابل, با هزاران اتصال از راه دور بهم متصل می‌شوند.همه ی سامانه‌ها داده‌های دریافتی از سنسورهای اندازه‌گیری متغیرهای فرایند دریافت می‌کنند، و با مقدار مطلوب مقایسه می‌شود و دستورهایی که برای کنترل نهایی یک فرایند از طریق عناصر کنترل استفاده می‌شوند، تولید می‌شود.
سامانه‌های بزرگتر معمولاً با سامانه‌های کنترل نظارت و داده () یا سامانه‌های کنترل توزیع () و کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC ها) اجرا می‌شوند، هرچند سامانه‌های SCADA و PLC به سامانه‌های کوچک با چند حلقه کنترل قابل مقیاس می‌باشند. چنین سامانه‌هایی به‌طور گسترده در صنایع مانند پردازش شیمیایی، تولید کاغذ و پالپ، تولید برق، پردازش نفت و گاز و ارتباطات مخابراتی استفاده می‌شود.
ساده‌ترین سامانه‌های کنترل بر روی کنترل‌کننده‌های گسسته کوچک با یک تک حلقه کنترل قرار می‌گیرند. معمولاً پانل نصب شده‌است که اجازه می دهد تا به مشاهده مستقیم پانل جلویی پرداخته و ابزار مداخله دستی توسط اپراتور فراهم می‌کنند، کنترل فرایند به صورت دستی و یا تغییر تنظیمات کنترل. در اصل این کنترل‌کننده‌های پنوماتیک هستند، بعضی از آن‌ها هنوز در حال استفاده هستند، اما تقریباً همه آن‌ها در حال حاضر الکترونیکی هستند.
سامانه‌های کاملاً پیچیده می‌توانند با شبکه‌هایی از این کنترل‌کننده‌ها با استفاده از پروتکل‌های استاندارد صنعتی ایجاد شوند که اجازه استفاده از رابط‌های اپراتور SCADA محلی یا راه دور را می دهد و باعث مرتبط بودن و بهم پیوسته بودن بین کنترل‌کننده‌ها می‌شود.با این حال در طراحی سامانه تعداد حلقه‌های کنترل افزایش می یابد و این نقطه‌ای است که استفاده ی PLC یا DCS در کجا مقرون به صرفه تر است.
سیستم کنترل توزیع شده (DCS) یک سیستم کنترل فرآیند دیجیتال (PCS) برای یک فرآیند یا کارخانه است که در آن عملکردهای کنترل کننده و ماژول‌های اتصال میدانی در سراسر سیستم توزیع می شوند. با افزایش تعداد حلقه‌های کنترل، DCS مقرون به صرفه تر از کنترل کننده های گسسته می شود. علاوه بر این، یک DCS مشاهده و مدیریت نظارتی بر فرآیندهای صنعتی بزرگ را فراهم می کند. در یک DCS، سلسله مراتبی از کنترل‌کننده‌ها توسط شبکه‌های ارتباطی به هم متصل می‌شوند و به اتاق‌های کنترل متمرکز و نظارت و کنترل محلی روی کارخانه دسترسی می‌دهند.
کنترل پیچیده‌تر زنگ هشدار را امکان‌پذیر می‌کند، ثبت رویدادهای خودکار را معرفی می‌کند، نیاز به سوابق فیزیکی مانند ضبط‌کننده‌های نمودار را از بین می‌برد و به تجهیزات کنترلی اجازه می‌دهد تا به شبکه متصل شوند.
یک DCS معمولاً از پردازنده‌های طراحی‌شده سفارشی به عنوان کنترل‌کننده استفاده می‌کند و از اتصالات اختصاصی یا پروتکل‌های استاندارد برای ارتباط استفاده می‌کند. ماژول‌های ورودی و خروجی اجزای جانبی سیستم را تشکیل می دهند.
پردازنده‌ها اطلاعات را از ماژول‌های ورودی دریافت می کنند، اطلاعات را پردازش می کنند و تصمیم می گیرند که اقدامات کنترلی توسط ماژول‌های خروجی انجام شود. ماژول‌های ورودی اطلاعات را از ابزارهای سنجش در فرآیند (یا میدان) دریافت می‌کنند و ماژول‌های خروجی دستورالعمل‌ها را به عناصر کنترلی نهایی، مانند شیرهای کنترل، منتقل می‌کنند. کنترل نظارتی و اکتساب داده (SCADA) یک معماری سیستم کنترلی است که از رایانه ها، ارتباطات داده شبکه ای و رابط های کاربر گرافیکی برای مدیریت نظارت بر فرآیند در سطح بالا استفاده می کند. رابط‌های اپراتور که نظارت و صدور فرمان‌های فرآیند را امکان‌پذیر می‌کنند، مانند تغییرات تنظیم‌کننده کنترل‌کننده، از طریق سیستم کامپیوتری نظارتی SCADA مدیریت می‌شوند. با این حال، محاسبات کنترل‌کننده توسط ماژول‌های شبکه‌ای انجام می‌شود که به سایر دستگاه‌های جانبی مانند کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی و کنترل‌کننده‌های PID گسسته متصل می‌شوند که به کارخانه یا ماشین‌آلات فرآیند متصل می‌شوند.
مفهوم SCADA به عنوان یک وسیله جهانی برای دسترسی از راه دور به انواع ماژول‌های کنترل محلی، که می‌تواند از تولیدکنندگان مختلف باشد و اجازه دسترسی از طریق پروتکل‌های اتوماسیون استاندارد را می‌دهد، توسعه داده شد. در عمل، سیستم‌های SCADA بزرگ رشد کرده‌اند تا از نظر عملکرد بسیار شبیه به سیستم‌های کنترل توزیع شده باشند، اما از ابزارهای متعددی برای ارتباط با نیروگاه استفاده می‌کنند. آنها می توانند فرآیندهای در مقیاس بزرگ را که می توانند چندین سایت را شامل شوند، کنترل کنند و در فواصل بزرگ کار کنند. این یک معماری معمولی است که از سیستم های کنترل صنعتی استفاده می‌شود، با این حال نگرانی هایی در مورد آسیب پذیر بودن سیستم های SCADA در برابر حملات سایبری یا تروریسم سایبری وجود دارد.
نرم افزار SCADA در سطح نظارتی عمل می کند زیرا اقدامات کنترلی به طور خودکار توسط RTU یا PLC انجام می شود. عملکردهای کنترلی SCADA معمولاً به مداخله در سطح اصلی یا نظارتی محدود می شود. یک حلقه کنترل بازخورد مستقیماً توسط RTU یا PLC کنترل می شود، اما نرم افزار SCADA بر عملکرد کلی حلقه نظارت می کند. به عنوان مثال، یک PLC ممکن است جریان آب خنک کننده را از طریق بخشی از یک فرآیند صنعتی تا سطح نقطه تنظیم کنترل کند، اما نرم افزار سیستم SCADA به اپراتورها اجازه می دهد تا نقاط تنظیم شده را برای جریان تغییر دهند.
PLCها می‌توانند از دستگاه های ماژولار کوچک با ده‌ها ورودی و خروجی در یک محفظه یکپارچه با پردازنده گرفته تا دستگاه‌های ماژولار بزرگ با تعداد هزاران ورودی و خروجی که اغلب به شبکه های دیگر متصل می شوند، باشد.آنها را می توان برای آرایش‌های متعدد ورودی و خروجی دیجیتال و آنالوگ، دامنه دمایی طولانی، مصونیت در برابر نویز الکتریکی و مقاومت در برابر لرزش و ضربه طراحی کرد. برنامه های کنترل عملکرد ماشین معمولاً در حافظه باطری ذخیره می شوند.
کنترل فرآیند کارخانه‌های صنعتی بزرگ طی مراحل بسیاری تکامل یافته است. در ابتدا، کنترل از پانل های محلی به کارخانه فرآیند بود. با این حال، این امر مستلزم حضور پرسنل در این پانل های پراکنده بود و هیچ دیدگاه کلی از روند وجود نداشت. توسعه منطقی بعدی، انتقال تمام اندازه گیری های کارخانه به یک اتاق کنترل مرکزی با سرنشین دائمی بود. غالباً کنترل‌کننده‌ها پشت پانل‌های اتاق کنترل قرار داشتند و تمام خروجی‌های کنترل خودکار و دستی به صورت جداگانه به شکل سیگنال‌های پنوماتیک یا الکتریکی به کارخانه منتقل می‌شدند. عملاً این متمرکز شدن تمام پانل های بومی سازی شده با مزایای کاهش نیاز به نیروی انسانی و نمای کلی یکپارچه فرآیند بود.
با این حال، این آرایش غیر قابل انعطاف بود زیرا هر حلقه کنترلی، سخت افزار کنترل کننده خود را داشت. بنابراین تغییرات سیستم نیاز به پیکربندی مجدد سیگنال ها با لوله گذاری مجدد یا سیم کشی مجدد داشت. همچنین به حرکت مداوم اپراتور در یک اتاق کنترل بزرگ برای نظارت بر کل فرآیند نیاز داشت. با آمدن پردازنده‌های الکترونیکی، شبکه‌های سیگنالینگ الکترونیکی پرسرعت و نمایشگرهای گرافیکی الکترونیکی، جایگزینی این کنترل‌کننده‌های گسسته با الگوریتم‌های رایانه‌ای که روی شبکه‌ای از قفسه‌های ورودی و خروجی با پردازنده‌های کنترلی خودشان میزبانی می‌شوند، ممکن شد. اینها می‌توانند در اطراف کارخانه توزیع شوند و با نمایشگرهای گرافیکی در اتاق کنترل ارتباط برقرار کنند. معرفی کنترل توزیع شده امکان اتصال انعطاف پذیر و پیکربندی مجدد کنترل های کارخانه مانند حلقه های آبشاری و اینترلاک ها و ارتباط با سایر سیستم های کامپیوتری تولیدی را فراهم کرد. این کنترل پیچیده زنگ هشدار را فعال کرد، ثبت رویدادهای خودکار را معرفی کرد، نیاز به رکوردهای فیزیکی مانند ضبط کننده نمودار را حذف کرد، به قفسه های کنترل اجازه داد تا شبکه ای شوند و در نتیجه به صورت محلی در کارخانه قرار گیرند تا کابل کشی کاهش یابد.در حالی که DCS برای پاسخگویی به نیازهای فرآیندهای صنعتی پیوسته بزرگ طراحی شده بود، در صنایعی که منطق ترکیبی و ترتیبی نیاز اولیه بود، PLC از نیاز به جایگزینی قفسه ها و تایمرهای مورد استفاده برای کنترل رویداد محور تکامل یافت. پیکربندی و اشکال زدایی مجدد کنترل های قدیمی دشوار بود و کنترل PLC شبکه سیگنال ها را به یک منطقه کنترل مرکزی با نمایشگرهای الکترونیکی فعال می کرد. PLC ها برای اولین بار برای صنعت خودرو در خطوط تولید خودرو، که در آن منطق ترتیبی بسیار پیچیده می شد، توسعه یافتند. تاریخچه SCADA ریشه در کاربردهای توزیع دارد، مانند خطوط لوله برق، گاز طبیعی و آب. جایی که نیاز به جمع آوری داده های راه دور از طریق پیوندهای با پهنای باند کم و با تأخیر بالا بالقوه غیرقابل اعتماد یا متناوب است. سیستم‌های اسکادا از کنترل حلقه باز با سایت‌هایی استفاده می‌کنند که به طور گسترده از نظر جغرافیایی از هم جدا شده‌اند. یک سیستم SCADA از واحدهای پایانه راه دور (RTUs) برای ارسال داده های نظارتی به یک مرکز کنترل استفاده می کند. اکثر سیستم های RTU همیشه دارای ظرفیتی برای کنترل محلی بودند در حالی که ایستگاه اصلی در دسترس نیست. با این حال، در طول سال‌ها، سیستم‌های RTU بیشتر و بیشتر رشد کرده‌اند و توانایی کنترل محلی را دارند.
با گذشت زمان، مرزهای بین سیستم‌های DCS و SCADA/PLC محو می‌شوند. محدودیت‌های فنی که طراحی‌های این سیستم‌های مختلف را به‌وجود آورده‌اند، دیگر چندان مشکل‌ساز نیستند. بسیاری از پلتفرم‌های PLC اکنون می‌توانند با استفاده از ورودی و خروجی از راه دور به خوبی به عنوان یک DCS کوچک عمل کنند و به اندازه‌ای قابل اعتماد هستند که برخی از سیستم‌های SCADA را در فواصل طولانی مدیریت می‌کنند. با افزایش سرعت پردازنده‌های امروزی، بسیاری از محصولات DCS دارای یک سری کامل از زیرسیستم‌های PLC هستند که در ابتدای توسعه ارائه نشده‌اند.
در سال 1993، صنعت به سمت افزایش استانداردسازی کد با نرم افزار و مستقل شدن از سخت افزار حرکت کرد. برای اولین بار، برنامه نویسی شی گرا (OOP) در سیستم های کنترل صنعتی امکان پذیر شد. این امر منجر به توسعه کنترل‌کننده‌های اتوماسیون قابل برنامه‌ریزی (PAC) و رایانه‌های شخصی صنعتی (IPC) شد. اینها پلتفرم هایی هستند که در پنج زبان استاندارد IEC برنامه ریزی شده اند: منطق نردبانی، متن ساختاریافته، بلوک تابع، لیست دستورالعمل ها و نمودار تابع متوالی. آنها همچنین می توانند در زبان های سطح بالا و مدرن مانند C یا C++ برنامه ریزی شوند. علاوه بر این، آنها مدل های توسعه یافته در ابزارهای تحلیلی مانند MATLAB و Simulink را می پذیرند. IPCها از مزیت پردازنده‌های چند هسته‌ای قدرتمند با هزینه‌های سخت‌افزاری بسیار پایین‌تر نسبت به PLC‌های سنتی برخوردارند. پلتفرم‌ها و فناوری سخت‌افزاری جدید به طور قابل توجهی به تکامل سیستم‌های DCS و SCADA کمک کرده‌اند و مرزها را بیشتر محو کرده و تعاریف را تغییر می‌دهند.
SCADA و PLC ها در برابر حملات سایبری آسیب پذیر هستند. نمایش فناوری قابلیت مشترک دولت ایالات متحده (JCTD) معروف به موزاییک (آگاهی موقعیتی بیشتر برای سیستم‌های کنترل صنعتی) نمایش اولیه قابلیت دفاعی امنیت سایبری برای سیستم‌های کنترل زیرساخت حیاتی است. MOSAICS به نیاز عملیاتی وزارت دفاع (DOD) به قابلیت‌های دفاع سایبری برای دفاع از سیستم‌های کنترل زیرساخت حیاتی در برابر حملات سایبری، مانند برق، آب و فاضلاب، و کنترل‌های ایمنی که بر محیط فیزیکی تأثیر می‌گذارند، می‌پردازد. نمونه اولیه MOSAICS JCTD با صنعت تجاری از طریق روزهای صنعت برای تحقیق و توسعه بیشتر به اشتراک گذاشته خواهد شد. رویکردی که در نظر گرفته شده است تا به قابلیت‌های نوآورانه و تغییر دهنده بازی برای امنیت سایبری برای سیستم‌های کنترل زیرساخت حیاتی منجر شود.