工业控制系统五层架构介绍

作者: 老马玩工控安全     消息来源: 关键基础设施安全应急响应中心         消息类型: 行业新闻         发布日期:2020-05-28

1、五层架构
国际标准IEC62264-1中的工业控制系统经典层级模型,将典型工控系统按照功能从上到下划分为五个层次,依次为:企业资源层(决策管理层)、生产管理层(运营管理层)、过程监控层、现场控制层和现场设备层(物理设备层)。

其五层架构如下:

L0 物理设备层:由执行器、传感器、智能仪表、电机和执行装置等组成,主要是完成生产过程中的各类物理变量以及电信号之间的转换,完成对现场生产数据的采集以及控制命令的执行,是实现“智能制造”中数字化的基础。

L1 现场控制层:由DCS控制器、PLC及其他具有逻辑控制功能的设备组成,接收由物理设备层的数据(如传感器、变送器或智能仪表),按照一定的控制策略计算出所需的控制量,并送回到现场的执行器(如阀门和电机)中去。现场控制层的操作员站和工程师站可以同时完成连续控制、顺序控制或逻辑控制功能,实现对现场设备的监视和控制。

L2 过程监控层:主要由操作员站、工程师站、OPC服务器、SCADA系统和DCS系统等组成,对生产现场和生产状态进行集中监控,整体把控企业的生产状况。

L3 生产运营层:主要由MES、MIS系统、生产指挥、运行调度和办公终端组成,主要实现生产过程的执行管理(制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、物料管理、生产看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解)、记录数据处理和生产指挥调度。

L4 决策管理层:主要由ERP、CRM、采购、门户、OA、Email和办公终端组成,涵盖企业各类信息化系统以及信息化支撑系统,并对各类资源进行整合,结合和分析各维度汇总的数据,为集团总部和下属企业的管理经营者提供经营决策支持。

下面再介绍一下工业控制系统。什么是工业控制系统?指由计算机与工业过程控制部件组成的自动控制系统,它由控制器、传感器、传送器、执行器和输入/输出接口等部分组成。这些组成部分通过工业通信线路,按照一定的通信协议进行连接,形成一个具有自动控制能力的工业生产制造或加工系统。

通常是几种类型控制系统的总称,包括监控和数据采集(SCADA)系统、分布式控制系统(DCS)和可编程逻辑控制器(PLC)以及其它控制系统。

2、PLC
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置,采用可以编制程序的存储,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,直接控制各种类型生产设备的操作和生产,是实现工业自动化、数字化和网络化的基础,在生产领域起着极为关键的作用,并被广泛运用于各行业的生产企业中,其部署结构如下图所示。
煤炭行业:在煤炭企业中,应用的PLC主要为西门子、AB、三菱以及和利时等品牌,主要应用于运输系统、选煤系统、采煤系统等。

电力行业:在火电企业中PLC设备较多的使用西门子、Rockwell和Schneider等品牌,在火电企业中PLC主要应用于火电的辅控设施;而在风电企业中,应用的PLC主要为贝福、ABB以及巴赫曼的控制器,主要应用于风电的电机的控制。

轨交行业:在铁路企业中工业控制系统的集成全部由国内厂家承担,且主要控制系统也基本由国内厂家自主研发,相关厂商主要有卡斯柯、通号院、交大微联、兰州大成和铁科院等,主要应用在铁路的集中调度、牵引供电等系统。

港口行业:在港口板块的企业中应用的PLC设备为罗克韦尔品牌,主要应用在翻车、运输皮带、堆取料机、装船等环节。

航运行业:在航运板块的企业中主要是使用Kongsberg和SAM的控制器,应用于船舶自动化控制系统上。

煤化工行业:在煤化工企业中应用的PLC设备以霍尼韦尔、西门子、AB、GE和施耐德品牌为主,应用于煤化工的辅控系统,如选煤、备煤、脱硫、废水处理等方面。

3、DCS系统
DCS(分布式控制系统)实现所有装置的实时控制、报警管理、历史数据和事件的采集和存储、报表的生成和存储、过程操作等功能,主要对现场(生产厂区或车间范围)的DCS控制器以及现场过程进行监控。现场仪表信号传到现场机柜室和中央控制室,数据传输普遍采用电缆或光缆的方式,DCS系统对这些数据进行统一处理,在中央控制室进行全部的控制、监测、报警及报表等操作,如图所示:

DCS系统主要用于连续性反应过程控制,如发电、化工、制药等行业,国外DCS产品主要由FOXBORO、ABB、Emerson、Siemens、Honeywell和Yokogawa等厂商提供,国内DCS产品主要由上海新华、和利时、浙大中控、国电智深和浙江威盛等厂商提供

电力行业:主要用于火电企业火电机组的主机和辅机控制,主要品牌包括西门子、ABB、艾默生以及国内的国电智深、新华等品牌。

煤化工行业:主要应用于煤化工的过程控制,主要品牌包括霍尼韦尔、和利时和GE新华等品牌。

4、SCADA系统
SCADA(SupervisoryControl And Data Acquisition)系统,即数据采集与监视控制系统,其功能类似于DCS,但是SCADA系统主要监控相对宽广的范围(跨厂区或跨地域)生产设备,数据传输方式多样,对数据的延时要求不如DCS,多强调数据的集中采集、监视和趋势分析,如下图所示。

煤炭行业:SCADA系统在煤矿板块中主要用与其综合自动化的监控,主要采用WinCC、IFix、Intouch,PSI、pSpace等,同时对供电、运输、通风、排水、选煤等系统进行集中监控。

电力行业:风电企业中主要用于单向采集风电场中央监控层的数据,进行统计分析;它作为能量管理系统(EMS系统)的一个最主要的子系统,有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势,其主要SCADA系统集成商为华锐风电、新疆金风科技、国电南自、西门子、南瑞继保、苏司兰能源。火电企业也有类似于SCADA监控系统,如或电厂变电站的NCS系统等,其系统集成商主要为国电南瑞、四方继保等;

轨交行业:牵引供电SCADA系统,主要用于调度牵引供电设备的远距离监控,主要品牌为成都交大光芒有限公司。其他诸如分散自律调度集中系统、车辆运行监控系统等均类似于SCADA系统功能和属性。相关系统的生产、集成主要为国产厂商。

港口行业:港口的中央控制系统功能类似于SCADA系统,主要用于港口的自动化系统的整体监控,涉及港口的运输皮带与其他单机控制的状态监视与控制。

航运行业:航运企业中船舶机舱自动化系统类似于SCADA系统,包括机舱监控报警系统,主机遥控系统以及船舶电站系统等,通过集控室对机舱、主机以及电站进行集中监控。

煤化工行业:SCADA系统主要应用于煤化工企业中的供配电系统的监控。
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