제어 시스템의 구성 요소
산업 제어 시스템 ICS의 구성 요소는 제어 센터 장치 및 원격 사이트 장치의 위치에 따라 두 가지 범주로 광범위하게 나눌 수 있습니다. 제어 센터 장치는 시스템 제어 센터에 있으며 HMI (Human Machine Interface), 엔지니어 워크 스테이션 및 이력 서버 (Historian)를 포함합니다. 원격 사이트 장치는 생산 현장에 존재하며 물리적 프로세스를 감독하고 제어하는 주요 기능인 액추에이터 및 센서에 직접 연결되는 장치입니다. 사이트 장치는 일반적으로 사람과 직접 상호 작용하지 않지만 생산 현장은 일반적으로 제어 센터보다 안전하지 않기 때문에 공격 및 손상 가능성이 높습니다.
1.1 제어 센터 장비
Human Machine Interface HMI (때로는 SCADA 시스템이라고도 함)는 운영자가 프로세스를 모니터링하고 제어 할 수있는 시스템입니다. HMIS HMIS는 일반적으로 일반 목적 컴퓨터에서 실행되는 순수한 소프트웨어 응용 프로그램으로, 일반적으로 Microsoft Windows 제품군 운영 체제 환경에서 실행됩니다. 업계의 일반적인 HMI에는 Wonderware, Siemens 'Wincc, Rockwell의 RSView 및 Areva e-Terra가 포함되며 Kinseal도 좋은 선택입니다.
History Server Historian은 프로세스 제어 시스템 상태의 기록을 기록하는 데이터베이스 서버입니다. 어떤 경우에는 역사가가 충분히 강력하다면 제어 시스템의 HMI로도 사용할 수 있습니다. 역사가는 일반적으로 주요 운영 체제 및 공통 하드웨어 장치에서 운영되며 일반적으로 회사 네트워크에서 반영됩니다.
1.2 원격 사이트 장치
원격 사이트 장치에는 PLC, 원격 터미널 장치 RTU, 지능형 전자 장치 IED 및 전자 릴레이가 포함됩니다. 이러한 장치의 기능은 크게 다르지만 위치 및 유사성에 따라 대략 그룹화 할 수 있습니다. 이 장치에 사용 된 하드웨어 아키텍처에는 유사성이 있으며 일반적으로 아날로그 또는 디지털 입력/출력 (I/O) 및 제어 기능을 제공합니다. 그들은 센서에서 직접 데이터를 읽고 액추에이터에 작동 명령을 보냅니다. 경우에 따라 다른 필드 장치에 연결됩니다.
이 기사에서는 장치에 대한 단순화 된 토론이 제공됩니다. 실제로, 위에서 언급 한 이러한 각 장치 (PLC, RTU, IED 및 전자 릴레이)는 제어 시스템 객체 관계 모델 (ORM)에서 특정 기능의 하위 집합을 수행합니다. 예를 들어, 필드 I/O 컨트롤 만 제공하는 SCADA 시스템의 기능인 RTU는 필드 I/O 센서를 통해 샘플링을 수행하며 개별적으로 RTU는 액추에이터에 대한 트리거를 생성합니다. 전자 릴레이는 항상 샘플링 및 트리거링 기능을 수행합니다. RTU는 상태 데이터 필드 포인트를 생성하며 경우에 따라 명령 데이터 필드 포인트를 처리합니다. 릴레이는 상태 데이터 필드 포인트를 생성하지만 명령 된 데이터 필드 포인트를 처리 할 가능성이 적습니다. RTU는 일반적으로 로컬 제어 기능이 없지만 릴레이에는 해당 기능이 있습니다. PLC는 센서, 액추에이터 및 고급 제어 기능과 통신하는 것 외에도 중요한 로컬 제어 기능을 갖습니다. 이러한 기능은 비슷해 보일 수 있지만 ORM에는 상당한 차이가 있습니다.
2 일반적인 제어 시스템 아키텍처
그림 1은 일반적인 제어 시스템 아키텍처를 보여줍니다. IT에서 HMI를 실행하는 일반적인 상용 PC는 표준 네트워크 프로토콜 (예 : 이더넷)을 통해 PLC와 같은 필드 장치와 통신합니다. 엔지니어 스테이션 및 히스토리 데이터베이스는 일반적으로 표준 네트워크 프로토콜을 통해 필드 장치와 통신하는 일반적인 상업용 PC 또는 서버입니다. 필드 장치는 FieldBus와 같은 이더넷 기반 산업 제어 프로토콜을 사용하여 다른 필드 장치에 연결합니다. 일부 필드 장치는 RS232 또는 RS485와 같은 표준 직렬 버스 통신 프로토콜을 사용하여 지능형 장치에 연결하고 일부 필드 장치는 센서, I \ O 장치 및 기계 장치에 직접 연결됩니다.
3 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러 plc
PLC는 센서 및 액추에이터 또는 기타 필드 장치에 직접 연결할 수있는 현장 장치입니다 .PLC는 논리 프로그램 (일반적으로 IEC 61131-3 표준에 따라 정의 된 형식)을 통해 로컬로 제어되며 제어 시스템의 통신 프로토콜을 통해 제어 명령 및 쿼리 요청을 수신 할 수 있지만, 고정 된 쉐이프를 통해 수정할 수 있습니다. 동일한 기본 구성 요소를 사용하십시오. 유형은 본질적으로 동일한 기본 구성 요소를 사용합니다.
3.1 PLC 프로그래밍
PLC는 IEC 61131-3에 나열된 언어 중 하나를 사용하여 프로그래밍 할 수 있습니다.
사다리 다이어그램 (LD), 그래픽
기능 블록 다이어그램 (FBD), 그래픽
구조화 된 텍스트 (st), 텍스트
명령 목록 (IL), 텍스트
시퀀스 기능 차트 (SFC), 그래픽
PLC는 입력, 논리 실행 및 출력으로 구성된 "스캔"이라는 순환 주기로 작동합니다.
3.2 일반 모듈 식 PLC 아키텍처
모듈 식 PLC는 백 평면으로 연결된 개별 모듈로 구성됩니다. 비대형 PLC는 모든 구성 요소를 단일 보드에 통합합니다.
3.3 PLC 모듈 상호 작용
그림 2에 표시된 일반 목적 PLC 아키텍처에서 각 모듈에는 물리적 슬롯이 있으며 일련의 백플레인 주소가 할당됩니다. 인터페이스 레지스터 및 버퍼 메모리는 백플레인 주소 범위 내에서 노출됩니다. 메시지는 레지스터 또는 기타 모듈 버퍼에 읽기 및 쓰기에 의해 전송 및 수신됩니다.
3.4 프로세서 모듈
프로세서 모듈은 PLC의 핵심입니다. 모듈 간의 조정을 구현하고 때로는 백 평면 중재자로 사용됩니다. 프로세서 모듈은 자체 구성을 저장하지 않으면 다른 모듈을 전원을 찍습니다.
프로세서 모듈은 사다리 로직을 해석하고 실행하고, 통신 모듈 또는 I/O 모듈에서 값을 읽고, 운영 상태를 유지하고, 래더 로직의 "스캔"주기를 실행하고 출력 값을 통신 모듈 또는 I/O 모듈에 씁니다.
3.5 통신 모듈
통신 모듈은 프로세서 모듈에서 통신 프로토콜 관련 코드를 사용합니다. 프로세서 모듈에서 시간에 민감한 프로토콜 상호 작용 데이터를 가져 와서 프로세서 모듈이 자체 시간에 민감한 제어 루프에 있는지 확인합니다. 일부 제어 시스템 프로토콜은 매우 복잡하기 때문에 통신 모듈의 처리 능력이 높을 수 있으므로 통신 모듈은 프로세서 모듈만큼 복잡 할 수 있습니다.
3.6 I/O 모듈
I/O 모듈은 신호를 저전압 (3.3V 또는 5V), 저 전류 (MilliamPere 레벨) 제어 로직 및 고전압 (24V 이상), 고전류 (Ampere Level) 공정 제어로 변환합니다. 아날로그 I/O 모듈에는 아날로그-디지털 컨버터 (ADC) 및 DACS (Digital-to-Analog Converter)가 포함되어 있습니다. 이 모듈은 비교적 간단한 논리와 상대적으로 지능적인 하드웨어를 가지고 있으며, 유일한 작업은 아날로그와 디지털 신호를 변환하는 것입니다.
3.7 범용 프로세서
PLC에서 가장 일반적으로 발견되는 세 가지 유형의 프로세서 아키텍처가 있습니다.
팔 아키텍처 (7 또는 9 시리즈)
Motorola/Freescale 68000 시리즈 아키텍처
IBM의 파워 아키텍처
ARM 아키텍처는 1,700 명 이상의 직원을 보유한 영국에 본사를 둔 회사 인 ARM에 의해 설계되었습니다 .ARM은 칩을 제조하지 않고 오히려 IP (Intellectual Property)를 설계하고 라이센스합니다. (1) ARM 아키텍처는 임베디드 시스템 및 장치에서 널리 사용되며, 시장 점유율은 90%이상인 휴대 전화 및 개인 디지털 어시스턴트 (PDA)와 같은 소비자 전자 제품의 상당 부분을 보유하고 있습니다. (2) ARM 프로세서는 Big-Endian 또는 Little-Endian 모드에서 실행될 수 있으며 ARM (32- 비트) 및 Thumb (16- 비트) 명령 세트를 사용할 수도 있습니다. 암 프로세서는 종종 사용자 정의 시스템 온 칩 (SOC)의 일부입니다.
Motorola (현재 Freescale) 68000 시리즈는 32- 비트 복잡한 명령어 세트 (CISC) 마이크로 프로세서입니다. 임베디드 시스템에서 널리 사용됩니다. 2000 년 세계에서 가장 많이 팔린 32- 비트 아키텍처 프로세서였으며 68000 시리즈는 Big-Endian입니다.
Power Architecture에는 IBM, Freescale, AMCC, Tundra 및 PA Semi가 구현 한 RISC (Ristruction Set) 마이크로 프로세서 아키텍처가 포함되어 있습니다. 전력 아키텍처는 빅 엔디 안 바이트 시퀀스를 사용합니다.
3.8 메모리 레이아웃
PLC는 일반적으로 비 휘발성 플래시 메모리 스토리지를 사용하여 프로세서 모듈 펌웨어 및 사다리 로직 프로그램 (또는 다른 IEC 61131-3 언어)을 저장합니다. 플래시 메모리의 주소는 다른 온보드 장치의 제어 레지스터와 마찬가지로 프로세서의 주소 공간에 매핑됩니다 .RAM은 런타임 상태를 저장하는 데 사용됩니다.
3.9 임베디드 운영 체제
많은 임베디드 운영 체제도 실시간 운영 체제 (RTO)입니다. RTO로 간주 되려면 운영 체제는 "결정적으로 지연되거나 최악의 인터럽트 지연 또는 컨텍스트 스위치 시간을 보장해야합니다".
PLC는 종종 VXWorks, Windows CE 또는 QNX와 같은 상용 RTO 구현을 사용하지만 사용자 정의 "사내"운영 체제를 사용할 수도 있습니다. 아직 일반적이지는 않지만 일부 제조업체는 PLC에서 Linux 기반 운영 체제를 사용하기 시작했습니다.