SCADAシステムとは：アーキテクチャとその動作

大規模な産業施設では、多数のプロセスが発生します。各マシンが異なる出力を提供するため、監視する必要のあるすべてのプロセスは非常に複雑です。遠隔地にあるセンサーや機器からデータを収集するために使用されるSCADAシステム。次に、コンピューターはこのデータを処理し、迅速に提示します。 SCADAシステムは情報を収集し（パイプラインでのリークが発生したなど）、リークが発生したことをアラートで通知しながら情報をシステムに転送し、論理的かつ体系的な方法で情報を表示します。 DOSおよびUNIXオペレーティングシステムで実行するために使用されるSCADAシステム。このプロセス全体は、 オートメーション 。この記事では、SCADAシステムの概要について説明します。

SCADAシステムとは何ですか？

SCADAは、監視制御とデータ取得の略です。プロセス制御用のソフトウェアアプリケーションプログラムの一種です。 SCADAは、以下で構成される中央制御システムです。 コントローラー ネットワークインターフェイス、入力/出力、通信機器、およびソフトウェア。 SCADAシステムは、製造、生産、開発、製造を含む産業プロセスで機器を監視および制御するために使用されます。インフラストラクチャプロセスには、ガスと石油の分配、電力、水の分配が含まれます。公益事業には、バス交通システム、空港が含まれます。 SCADAシステムは、メーターの読み取りを行い、センサーのステータスを定期的にチェックするため、人間の干渉を最小限に抑えることができます。

一般的なSCADAネットワーク

SCADAの歴史

以前は、産業プラントと製造フロアの制御は、アナログ機器と押しボタンを使用して手動で行うことができました。業界の規模が拡大するにつれて、彼らはタイマーとリレーを採用して、最小限の自動化のために固定レベルの監視制御を提供しました。そのため、すべての業界で、より効率的なシステムを備えた完全自動化が必要でした。

産業用制御の目的で、1950年にコンピューターが実装されたことを私たちは知っています。その後、テレメトリの概念は、仮想だけでなくデータ送信にも実装されました。 コミュニケーション 。 1970年に、SCADAシステムはマイクロプロセッサおよびPLCとともに開発されました。

したがって、これらの概念は、リモートで業界で運用される自動化を開発する際に完全に役立ちました。分散型SCADAシステムは2000年に実装されました。その後、世界中のどこにいてもリアルタイムデータを監視および制御するための新しいSCADAシステムが開発されました。

SCADAシステムアーキテクチャ

一般に、SCADAシステムは、エリア全体を監視および制御する集中型システムです。これは、ハードウェアの上に配置される純粋なソフトウェアパッケージです。監視システムは、プロセスに関するデータを収集し、コマンド制御をプロセスに送信します。 SCADAは、RTUとも呼ばれるリモートターミナルユニットです。

ほとんどの制御アクションは、RTUまたはPLCによって自動的に実行されます。 RTUは、特定の要件に設定できるプログラマブルロジックコンバータで構成されています。たとえば、火力発電所では、水流を特定の値に設定したり、要件に応じて変更したりすることができます。

SCADAシステムを使用すると、オペレータはフローの設定値を変更したり、フローが失われたり高温になったりした場合にアラーム状態を有効にしたり、状態を表示して記録したりできます。 SCADAシステムは、ループの全体的なパフォーマンスを監視します。 SCADAシステムは、有線および無線の両方のテクノロジーとClintデバイスと通信するための集中型システムです。 SCADAシステム制御は、あらゆる種類の産業プロセスを完全に実行できます。

たとえば、ガスパイプラインに圧力がかかりすぎると、SCADAシステムが自動的にリリースバルブを開くことができます。

ハードウェアアーキテクチャ

一般的にSCADAシステムは2つの部分に分類できます。

• クライアントレイヤー
• データサーバー層

クリント層は、人間と機械の相互作用に対応します。

データサーバー層は、データアクティビティのほとんどのプロセスを処理します。

SCADAステーションはサーバーを指し、1台のPCで構成されています。データサーバーは、PLCやRTUなどのプロセスコントローラーを介して現場のデバイスと通信します。 PLCは、直接またはネットワークやバスを介してデータサーバーに接続されます。 SCADAシステムはWANおよびLANネットワークを利用します。WANおよびLANは、マスターステーションとデバイス間の通信に使用されるインターネットプロトコルで構成されます。

PLCまたはRTUに接続されたセンサーなどの物理機器。 RTUは、センサー信号をデジタルデータに変換し、デジタルデータをマスターに送信します。 RTUが受信したマスターフィードバックに従って、電気信号をリレーに適用します。図に示すように、ほとんどの監視および制御操作はRTUまたはPLCによって実行されます。

SCADAシステムハードウェアアーキテクチャ

ソフトウェアアーキテクチャ

ほとんどのサーバーは、マルチタスクおよびリアルタイムデータベースに使用されます。サーバーは、データの収集と処理を担当します。 SCADAシステムは、傾向分析データを提供し、スケジュールされたメンテナンス手順、ロジスティック情報、特定のセンサーまたはマシンの詳細な回路図、エキスパートシステムのトラブルシューティングガイドなどの情報を管理するソフトウェアプログラムで構成されています。これは、オペレーターが制御されているプラ​​ントの概略図を見ることができることを意味します。

SCADAのソフトウェアアーキテクチャ

例としては、アラームチェック、計算、ロギング、および一連のパラメータでのポーリングコントローラのアーカイブがあります。これらは通常、サーバーに接続されています。

SCADAシステムの動作

SCADAシステムは次の機能を実行します

• データ収集
• データ通信
• 情報/データの提示
• 監視/制御

これらの機能は、センサー、RTU、コントローラー、通信ネットワークによって実行されます。センサーは重要な情報を収集するために使用され、RTUはこの情報をコントローラーに送信してシステムのステータスを表示するために使用されます。システムのステータスに応じて、ユーザーは他のシステムコンポーネントにコマンドを与えることができます。この操作は通信ネットワークによって行われます。

データ収集

リアルタイムシステムは、何千ものコンポーネントとセンサーで構成されています。特定のコンポーネントとセンサーのステータスを知ることは非常に重要です。たとえば、一部のセンサーは、貯水池から水タンクへの水の流れを測定し、一部のセンサーは、貯水池から水が放出されるときの値の圧力を測定します。

データ通信

SCADAシステムは、有線ネットワークを使用してユーザーとデバイス間の通信を行います。リアルタイムアプリケーションは、リモートで制御する必要のある多くのセンサーとコンポーネントを使用します。 SCADAシステムはインターネット通信を使用します。すべての情報は、特定のプロトコルを使用してインターネット経由で送信されます。センサーとリレーはネットワークプロトコルと通信できないため、RTUはセンサーとネットワークインターフェイスの通信に使用されていました。

情報/データプレゼンテーション

通常の回路ネットワークには、制御するために表示できるいくつかのインジケータがありますが、リアルタイムSCADAシステムには、同時に処理することが不可能な数千のセンサーとアラームがあります。 SCADAシステムは ヒューマンマシンインターフェース（HMI） さまざまなセンサーから収集されたすべての情報を提供する 。

監視/制御

SCADAシステムは、さまざまなスイッチを使用して各デバイスを操作し、制御領域のステータスを表示します。これらのスイッチを使用して、プロセスの任意の部分をコントロールステーションからオン/オフにすることができます。 SCADAシステムは、人間の介入なしに自動的に機能するように実装されていますが、重大な状況では、人力によって処理されます。

SCADAコンポーネント

SCADAシステムコンポーネントには次のものが含まれます。

監督システム

監視システムは、ワークステーションの制御室内のヒューマンマシンインターフェイスソフトウェアと、RTU、センサー、PLCなどの装置の間の通信サーバーのように機能します。小規模なSCADAシステムには、マスターのように機能する単一のパーソナルコンピューターが含まれます。それ以外の場合は監視システムですが、大規模なSCADAシステムには、多数のサーバー、悲劇の回復のためのサイト、および分散ソフトウェアアプリケーションが含まれます。サーバーは、ホットスタンバイ構成のように接続されます。それ以外の場合は、サーバーの障害を継続的に監視するために二重冗長になります。

RTU（リモートターミナルユニット）

RTUまたはリモートターミナルユニットは電子デバイスであり、リモートテレメトリユニットとも呼ばれます。このシステムは、RTUを介してインターフェースされる物理オブジェクトで構成されます。

これらのデバイスの制御は、マイクロプロセッサを介して行うことができます。ここでは、マイクロプロセッサは、記録されたデータを監視システムに送信するために使用されるRTUを制御するために使用されます。接続されたオブジェクトを制御するために、マスターシステムからデータを受信できます。

PLC（プログラマブルロジックコントローラー）

PLCという用語は、センサーの助けを借りてSCADAシステムで使用されるプログラマブルロジックコントローラーの略です。これらのコントローラーは、センサーの出力信号をデジタルデータに変換するためにセンサーに接続されています。 RTUと比較すると、これらは柔軟性、構成、汎用性、および手頃な価格のために使用されます。

通信インフラストラクチャ

SCADAシステムでは、無線と直接配線接続が混在して使用されます。ただし、SONETまたはSDHは、発電所や鉄道などの優れたシステムにも利用できます。コンパクトなSCADAプロトコル間で標準化された7つの認識されたプロトコルはほとんど使用されておらず、RTUが監視ステーションを介してポーリングされると情報を配信します。

SCADAプログラミング

HMI以外のマスターステーションでは、SCADAプログラミングは主にマップや図を作成するために使用され、イベントの失敗が発生した場合に進行中の非常に重要な情報を提供します。市販のSCADAシステムのほとんどは、Cプログラミング言語の一貫したインターフェースを利用しています。それ以外の場合は、派生プログラミング言語も使用できます。

ヒューマンマシンインターフェース

SCADAシステムはヒューマンマシンインターフェースを使用します。情報は、人間が処理できるように表示および監視されます。 HMIは、PLCおよびRTUである複数の制御ユニットへのアクセスを提供します。 HMIは、システムのグラフィック表示を提供します。

たとえば、タンクに接続されたポンプのグラフィック画像を提供します。ユーザーは水の流れと水の圧力を見ることができます。 HMIの重要な部分は、事前定義された値に従ってアクティブ化されるアラームシステムです。

ヒューマンマシンインターフェース

例えば 、 タンク水位アラームは60％と70％の値に設定されています。水位が60％を超えると、アラームは通常の警告を発し、水位が70％を超えると、アラームは重大な警告を発します。

SCADAシステムの種類

SCADAシステムは、次の4つのタイプに分類されます。

• モノリシックSCADAシステム
• 分散型SCADAシステム
• ネットワーク化されたSCADAシステム
• IoTSCADAシステム

モノリシックSCADAシステム

モノリシックSCADAシステムは、初期または第1世代システムと呼ばれます。これらのタイプのシステムでは、ミニコンピューターが使用されます。これらのシステムの開発は、一般的なネットワークサービスが利用できないときに行うことができます。これらのシステムの設計は、他のシステムとは関係なく、独立したシステムのように行うことができます。

データは、バックアップメインフレームを使用してすべてのRTUから収集できます。これらの第1世代システムの主な機能は、危機的状況でのプロセスのフラグ付けとセンサーの監視に限定されています。

分散型SCADAシステム

分散型SCADAシステムは第2世代システムと呼ばれます。制御機能の分散は、ローカルエリアネットワークに接続することにより、多数のシステムに分散できます。制御操作は、リアルタイムのデータとコマンド処理を共有することで実行できます。

これらのタイプのシステムでは、各ステーションのサイズとコストが削減されますが、一貫したネットワークプロトコルはありませんでした。プロトコルは独自のものであるため、インストール中にSCADAシステムのセキュリティを理解する人は少なく、この要素はほとんど無視されていました。

ネットワーク化されたSCADAシステム

ネットワーク化されたSCADAシステムは、第3世代システムとも呼ばれます。現在のSCADAシステムのネットワーキングと通信は、データ回線または電話を介してWANシステムを使用して行うことができます。 2つのノード間のデータ転送は、イーサネットまたは光ファイバー接続を使用して実行できます。

このタイプのSCADAシステムは PLC 主な選択が必要になったときに、フラグ操作を調整および監視するだけです。

IoTSCADAシステム

IoTSCADAシステムは第4世代のシステムです。これらのシステムでは、IoTを実装することで、システムのインフラストラクチャコストが削減されます。 クラウドコンピューティング 。これらのシステムの保守と統合は、他のシステムと比較して簡単です。

これらのシステムの状態は、クラウドコンピューティングを通じてリアルタイムで報告できます。したがって、通常のPLCで頻繁に使用される複雑な制御などのアルゴリズムの実装を行うことができます。

SCADAセキュリティ

現在、SCADAネットワークは、リアルタイムデータをチェックおよび検査するために現在の業界で広く使用されており、産業プロセスを制御し、デバイスと通信することができます。したがって、SCADAシステムにはハードウェアとソフトウェアが含まれているため、SCADAシステムは産業組織にとって不可欠です。したがって、SCADAセキュリティは業界でも不可欠です。

SCADAセキュリティという用語は、コンピュータハードウェアで製造されたSCADAネットワークを保護するために使用されます。一部のシステムで使用されているSCADAネットワークは 電気 、天然ガスなど。SCADAシステムのセキュリティを確保するための貴重な役割のために、民間および政府機関はこれらのネットワークの対策を講じています。

SCADAセキュリティの例

SCADAシステムで発生する脅威には次のものがあります。

• ハッカー
• テロリスト
• マルウェア
• 内部のエラー

SCADAセキュリティの弱点は、主に次の理由で発生します。

• 不十分なトレーニング
• アプリの抜け穴開発
• 監視中の問題
• メンテナンスが少ない

SCADAシステムは、現在のすべてのシステムをマッピングし、研究所を監視および検出し、ネットワークのセキュリティのためのプロセスを作成することによって保護できます。

PLCとSCADAの違い

PLCとSCADAの違いは次のとおりです。

リモート産業プラントのSCDA

大規模な産業施設では、多くのプロセスが同時に発生し、それぞれを監視する必要があります。これは複雑な作業です。 SCADAシステムは、配水、石油配電、配電などの産業プロセスで機器を監視および制御するために使用されます。このプロジェクトの主な目的は、リアルタイムデータを処理し、大規模なリモート産業環境を制御することです。リアルタイムのシナリオでは、リモートプラント操作用の温度ロギングシステムが使用されます。

温度制御産業プラントのブロック図

温度センサーは、フロントエンドでPCに接続されているマイクロコントローラーに接続され、ソフトウェアがコンピューターにロードされます。データは温度センサーから収集されます。温度センサーは継続的に信号をマイクロコントローラーに送信し、マイクロコントローラーはそれに応じてこれらの値をフロントパネルに表示します。

コンピュータ画面で下限や上限などのパラメータを設定できます。センサーの温度が設定値を超えると、マイクロコントローラーは対応するリレーにコマンドを送信します。リレー接点を介して接続されたヒーターは、オフとオンになります。

これは温度ロギングシステムです。ここでは、多重化モードの8つの温度センサーがADC 0808を介してマイクロコントローラーに接続されています。次に、すべてのセンサーの値が、マイクロコントローラーによってMax32を介してPCのCOMポートにシリアルに送信されます。 PCにロードされたソフトウェア「DAQシステム」はこれらの値を取得してフロントパネルに表示し、データベース「daq.mdb」にも記録します。

コンピュータ画面上の設定値、下限、上限などのいくつかのパラメータをインタラクティブな方法で設定できます。一部のセンサーの温度が設定値を超えて上昇すると、マイクロコントローラーはリレードライバーICにコマンドを送信します。リレー接点を介して接続されたヒーターは、（そのセンサーに固有の）オフ（または反対の場合はオン）になります。上限と下限はアラーム用です。温度が上限を超えるか下限を下回ると、アラームがオンになります。

リモート産業プラント用SCADA

利点

SCADAシステムの利点は次のとおりです。

• サービス品質を向上させることができます
• 信頼性を向上させることができます
• メンテナンスコストが少ない
• 操作を減らすことができます
• 大規模なシステムパラメータを監視できます
• マンパワーを削減できます
• 修理時間を短縮できます
• 障害の検出と障害の特定
• 大量のデータを保存します
• ユーザーの要件に従って、さまざまな形式でデータを表示します。
• 何千ものセンサーをSCADAと接続して、制御および監視することができます
• 実際のデータシミュレーションは、オペレーターが取得できます
• 速い応答を与える
• リソースを追加しながら、柔軟性と拡張性を備えています。
• SCADAシステムは、オンボードの機械的およびグラフィック情報を提供します
• SCADAシステムは簡単に拡張できます。必要に応じて、コントロールユニットとセンサーのセットを追加できます。
• SCADAシステムは重大な状況で動作することができます。

短所

SCADAシステムの欠点は次のとおりです。

• 依存するモジュールとハードウェアユニットの点で複雑です。
• 維持するには、アナリスト、プログラマー、熟練したオペレーターが必要です
• 高い設置コスト
• 失業率を上げることができます
• このシステムは、ハードウェアデバイスと制限付きソフトウェアをサポートします

アプリケーション

SCADAシステムのアプリケーションは次のとおりです。

• 電力の生成と分配
• 公共交通機関
• 上下水道システム
• 製造
• 産業と建物
• 通信ネットワーク
• 石油・ガス産業
• 発電、送電、配電
• 配水および貯水システム
• 電気冷暖房システムのような公共の建物。
• 発電機とタービン
• 信号制御システム

したがって、これはすべてについてです SCADAシステムの概要 （監視制御およびデータ収集）。このシステムはコンピューターによって制御され、プラント内のさまざまなプロセスを制御および監視するために使用されます。このシステムは、監視システムにGUI（グラフィカルユーザーインターフェイス）、データ通信、および拡張管理を使用します。ここにあなたへの質問があります、PLCとは何ですか？

フォトクレジット：

• 一般的なSCADAネットワーク mycpanel