औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली

एक औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली (आईसीएस) एक इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण प्रणाली और प्रक्रिया नियंत्रण के लिए उपयोग किए जाने वाले संबंधित उपकरण हैं। नियंत्रण प्रणाली आकार में कुछ मॉड्यूलर पैनल-माउंटेड नियंत्रकों से लेकर बड़े इंटरकनेक्टेड और इंटरएक्टिव वितरित नियंत्रण प्रणाली (डीसीएस) तक कई हजारों फील्ड कनेक्शन के साथ हो सकती है। नियंत्रण प्रणालियां दूरस्थ सेंसर मापने की प्रक्रिया चर (पीवी) से डेटा प्राप्त करती हैं, वांछित सेटपॉइंट (नियंत्रण प्रणाली) एस (एसपी) के साथ एकत्रित डेटा की समानता करती हैं, और अंतिम नियंत्रण तत्वों (एफसीई) के माध्यम से एक प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कमांड फ़ंक्शंस प्राप्त करती हैं। जैसे नियंत्रण वाल्व।

बड़े प्रणाली सामान्यतः पर्यवेक्षी नियंत्रण और डेटा अधिग्रहण (एससीएडीए) सिस्टम, या डीसीएस, और निर्देशयोग्य तर्क नियंत्रक (पीएलसी) द्वारा कार्यान्वित किए जाते हैं, चूंकि एससीएडीए और पीएलसी प्रणाली कुछ नियंत्रण लूप वाले छोटे प्रणाली के लिए स्केलेबल हैं। इस तरह की प्रणालियों का व्यापक रूप से रासायनिक प्रसंस्करण, लुगदी और कागज निर्माण, बिजली उत्पादन, तेल और गैस प्रसंस्करण और दूरसंचार जैसे उद्योगों में उपयोग किया जाता है।

असतत नियंत्रक
सबसे सरल नियंत्रण प्रणालियां प्रत्येक नियंत्रण लूप के साथ छोटे असतत नियंत्रकों पर आधारित होती हैं। ये सामान्यतः पैनल माउंटेड होते हैं जो फ्रंट पैनल को सीधे देखने की अनुमति देते हैं और ऑपरेटर द्वारा मैन्युअल हस्तक्षेप के साधन प्रदान करते हैं, या तो प्रक्रिया को मैन्युअल रूप से नियंत्रित करने या नियंत्रण सेटपॉइंट बदलने के लिए। मूल रूप से ये वायवीय नियंत्रक होंगे, जिनमें से कुछ अभी भी उपयोग में हैं, लेकिन अब लगभग सभी इलेक्ट्रॉनिक हैं।

उद्योग-मानक प्रोटोकॉल का उपयोग करके संचार करने वाले इन नियंत्रकों के नेटवर्क के साथ अधिक जटिल प्रणालियाँ बनाई जा सकती हैं। नेटवर्किंग स्थानीय या दूरस्थ स्काडा ऑपरेटर इंटरफेस के उपयोग की अनुमति देती है, और नियंत्रकों के कैस्केडिंग और इंटरलॉकिंग को सक्षम करती है। चूँकि, प्रणाली डिज़ाइन के लिए नियंत्रण लूप की संख्या में वृद्धि के रूप में एक बिंदु है जहाँ एक प्रोग्रामेबल लॉजिक नियंत्रण पाशPLC) या वितरित नियंत्रण प्रणाली (DCS) का उपयोग अधिक प्रबंधनीय या लागत प्रभावी है।

वितरित नियंत्रण प्रणाली


एक वितरित नियंत्रण प्रणाली (डीसीएस) एक प्रक्रिया या संयंत्र के लिए एक डिजिटल प्रक्रिया नियंत्रण प्रणाली (पीसीएस) है, जिसमें पूरे प्रणाली में नियंत्रक कार्य और फ़ील्ड कनेक्शन मॉड्यूल वितरित किए जाते हैं। जैसे ही नियंत्रण लूप की संख्या बढ़ती है, डीसीएस असतत नियंत्रकों की समानता में अधिक लागत प्रभावी हो जाता है। इसके अतिरिक्त, एक डीसीएस बड़ी औद्योगिक प्रक्रियाओं पर पर्यवेक्षी देखने और प्रबंधन प्रदान करता है। DCS में, नियंत्रकों का एक पदानुक्रम संचार नेटवर्क से जुड़ा होता है, जिससे केंद्रीकृत नियंत्रण कक्ष और स्थानीय ऑन-प्लांट निगरानी और नियंत्रण की अनुमति मिलती है।

डीसीएस संयंत्र नियंत्रणों जैसे कैस्केड लूप और इंटरलॉक के आसान विन्यास को सक्षम बनाता है, और उत्पादन नियंत्रण जैसे अन्य कंप्यूटर प्रणाली के साथ आसान इंटरफेसिंग। यह अधिक परिष्कृत अलार्म हैंडलिंग को भी सक्षम बनाता है, स्वचालित ईवेंट लॉगिंग का परिचय देता है, चार्ट रिकॉर्डर जैसे भौतिक रिकॉर्ड की आवश्यकता को हटा देता है और नियंत्रण उपकरण को नेटवर्क करने की अनुमति देता है और इस तरह केबलिंग को कम करने के लिए नियंत्रित किए जा रहे उपकरण को स्थानीय रूप से स्थित करता है।

एक DCS सामान्यतः नियंत्रकों के रूप में कस्टम-डिज़ाइन किए गए प्रोसेसर का उपयोग करता है और संचार के लिए मालिकाना इंटरकनेक्शन या मानक प्रोटोकॉल का उपयोग करता है। इनपुट और आउटपुट मॉड्यूल प्रणाली के परिधीय घटक बनाते हैं।

प्रोसेसर इनपुट मॉड्यूल से जानकारी प्राप्त करते हैं, सूचना को संसाधित करते हैं और आउटपुट मॉड्यूल द्वारा की जाने वाली नियंत्रण क्रियाओं का निर्णय लेते हैं। इनपुट मॉड्यूल प्रक्रिया (या क्षेत्र) में संवेदन उपकरणों से जानकारी प्राप्त करते हैं और आउटपुट मॉड्यूल नियंत्रण वाल्व जैसे अंतिम नियंत्रण तत्वों को निर्देश प्रेषित करते हैं।

फील्ड इनपुट और आउटपुट या तो लगातार बदलते एनालॉग संकेत हो सकते हैं उदा। वर्तमान परिपथ या 2 स्टेट सिग्नल जो ऑन या ऑफ स्विच करते हैं, जैसे रिले कॉन्टैक्ट्स या सेमीकंडक्टर स्विच।

वितरित नियंत्रण प्रणालियां सामान्य रूप से फाउंडेशन फील्डबस, प्रोफिबस, हाईवे एड्रेसेबल रिमोट ट्रांसड्यूसर प्रोटोकॉल, मॉडबस और अन्य डिजिटल संचार बसों का भी समर्थन कर सकती हैं जो न केवल इनपुट और आउटपुट सिग्नल बल्कि त्रुटि निदान और स्थिति संकेतों जैसे उन्नत संदेश भी ले जाती हैं।

स्काडा सिस्टम्स
पर्यवेक्षी नियंत्रण और डेटा अधिग्रहण (एससीएडीए) एक नियंत्रण प्रणाली वास्तुकला है जो उच्च स्तरीय प्रक्रिया पर्यवेक्षी प्रबंधन के लिए कंप्यूटर, नेटवर्क डेटा संचार और ग्राफिकल यूज़र इंटरफ़ेस का उपयोग करता है। ऑपरेटर इंटरफेस जो मॉनिटरिंग और प्रोसेस कमांड जारी करने में सक्षम होते हैं, जैसे नियंत्रक सेटपॉइंट परिवर्तन, एससीएडीए पर्यवेक्षी कंप्यूटर प्रणाली के माध्यम से नियंत्रित किए जाते हैं। चूंकि, रीयल-टाइम नियंत्रण तर्क या नियंत्रक गणना नेटवर्क मॉड्यूल द्वारा की जाती है जो अन्य परिधीय उपकरणों जैसे प्रोग्राम करने योग्य तर्क नियंत्रकों और असतत पीआईडी ​​​​नियंत्रकों से जुड़ती है जो प्रक्रिया संयंत्र या मशीनरी के लिए इंटरफ़ेस करती हैं।

एससीएडीए अवधारणा को विभिन्न प्रकार के स्थानीय नियंत्रण मॉड्यूल तक रिमोट एक्सेस के सार्वभौमिक माध्यम के रूप में विकसित किया गया था, जो विभिन्न निर्माताओं से ऑटोमेशन प्रोटोकॉल की सूची के माध्यम से पहुंच की अनुमति दे सकता है। व्यवहार में, बड़े स्काडा प्रणाली कार्य में वितरित नियंत्रण प्रणाली के समान हो गए हैं, लेकिन संयंत्र के साथ इंटरफेसिंग के कई माध्यमों का उपयोग कर रहे हैं। वे बड़े पैमाने की प्रक्रियाओं को नियंत्रित कर सकते हैं जिनमें कई साइटें शामिल हो सकती हैं और बड़ी दूरी पर काम कर सकती हैं। यह सामान्यतः इस्तेमाल किया जाने वाला आर्किटेक्चर औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली है, चूंकि एससीएडीए प्रणाली सायबर युद्ध या साइबर आतंकवाद हमलों के प्रति संवेदनशील होने के बारे में चिंताएं हैं। स्काडा सॉफ्टवेयर पर्यवेक्षी स्तर पर संचालित होता है क्योंकि सुदूर टर्मिनल इकाई या पीएलसी द्वारा नियंत्रण क्रियाएं स्वचालित रूप से की जाती हैं। एससीएडीए नियंत्रण कार्य सामान्यतः बुनियादी ओवरराइडिंग या पर्यवेक्षी स्तर के हस्तक्षेप तक ही सीमित होते हैं। फीडबैक कंट्रोल लूप को सीधे आरटीयू या पीएलसी द्वारा नियंत्रित किया जाता है, लेकिन एससीएडीए सॉफ्टवेयर लूप के समग्र प्रदर्शन की निगरानी करता है। उदाहरण के लिए, एक पीएलसी एक औद्योगिक प्रक्रिया के हिस्से के माध्यम से ठंडा पानी के प्रवाह को एक निर्धारित बिंदु स्तर तक नियंत्रित कर सकता है, लेकिन एससीएडीए प्रणाली सॉफ्टवेयर ऑपरेटरों को प्रवाह के लिए निर्धारित बिंदुओं को बदलने की अनुमति देगा। स्काडा अलार्म की स्थिति को भी सक्षम बनाता है, जैसे कि प्रवाह या उच्च तापमान का नुकसान, प्रदर्शित और रिकॉर्ड किया जाना।

प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर
PLC छोटे मॉड्यूलर उपकरणों से लेकर दसियों इनपुट और आउटपुट (I/O) के साथ प्रोसेसर के साथ एक हाउसिंग इंटीग्रल में, हजारों I/O की गिनती के साथ बड़े रैक-माउंटेड मॉड्यूलर डिवाइस तक हो सकते हैं, और जो अक्सर दूसरे से नेटवर्क होते हैं। पीएलसी और स्काडा सिस्टम। उन्हें डिजिटल और एनालॉग इनपुट और आउटपुट, विस्तारित तापमान रेंज, शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स) की प्रतिरक्षा, और कंपन और प्रभाव के प्रतिरोध की कई व्यवस्थाओं के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। मशीन के संचालन को नियंत्रित करने के कार्यक्रम सामान्यतः बैटरी-बैक-अप या गैर-वाष्पशील मेमोरी में संग्रहीत होते हैं।

इतिहास
बड़े औद्योगिक संयंत्रों का प्रक्रिया नियंत्रण कई चरणों में विकसित हुआ है। प्रारंभ में, नियंत्रण पैनल स्थानीय से प्रक्रिया संयंत्र तक था। चूँकि इसके लिए आवश्यक कर्मियों को इन बिखरे हुए पैनलों में भाग लेना था, और इस प्रक्रिया का कोई समग्र दृष्टिकोण नहीं था। अगला तार्किक विकास स्थायी रूप से कार्यरत केंद्रीय नियंत्रण कक्ष को सभी संयंत्र मापों का प्रसारण था। अक्सर नियंत्रक नियंत्रण कक्ष पैनल के पीछे होते थे, और सभी स्वचालित और मैन्युअल नियंत्रण आउटपुट व्यक्तिगत रूप से वायवीय या विद्युत संकेतों के रूप में संयंत्र में वापस प्रेषित किए जाते थे। प्रभावी रूप से यह सभी स्थानीय पैनलों का केंद्रीकरण था, जिसमें कम जनशक्ति आवश्यकताओं और प्रक्रिया के समेकित अवलोकन के फायदे थे।

चूंकि, एक केंद्रीय नियंत्रण फोकस प्रदान करते हुए, यह व्यवस्था अनम्य थी क्योंकि प्रत्येक नियंत्रण पाश का अपना नियंत्रक हार्डवेयर था, इसलिए प्रणाली को फिर से पाइपिंग या री-वायरिंग द्वारा संकेतों के पुन: संयोजन की आवश्यकता होती है। पूरी प्रक्रिया की निगरानी के लिए एक बड़े नियंत्रण कक्ष के भीतर निरंतर ऑपरेटर आंदोलन की भी आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसर, हाई-स्पीड इलेक्ट्रॉनिक सिग्नलिंग नेटवर्क और इलेक्ट्रॉनिक ग्राफिक डिस्प्ले के आने से इन असतत नियंत्रकों को कंप्यूटर-आधारित एल्गोरिदम के साथ बदलना संभव हो गया, जो अपने स्वयं के नियंत्रण प्रोसेसर के साथ इनपुट/आउटपुट रैक के नेटवर्क पर होस्ट किए गए थे। इन्हें संयंत्र के चारों ओर वितरित किया जा सकता है और नियंत्रण कक्ष में ग्राफिक डिस्प्ले के साथ संचार करेगा। वितरित नियंत्रण की अवधारणा को साकार किया गया।

वितरित नियंत्रण की शुरूआत ने लचीले इंटरकनेक्शन और संयंत्र नियंत्रणों जैसे कैस्केड लूप और इंटरलॉक, और अन्य उत्पादन कंप्यूटर प्रणाली के साथ इंटरफेसिंग की अनुमति दी। इसने परिष्कृत अलार्म हैंडलिंग को सक्षम किया, स्वचालित ईवेंट लॉगिंग की शुरुआत की, चार्ट रिकॉर्डर जैसे भौतिक रिकॉर्ड की आवश्यकता को हटा दिया, नियंत्रण रैक को नेटवर्क करने की अनुमति दी और इस तरह केबलिंग रन को कम करने के लिए संयंत्र के लिए स्थानीय रूप से स्थित किया, और संयंत्र की स्थिति के उच्च-स्तरीय अवलोकन प्रदान किए और उत्पादन स्तर। बड़े नियंत्रण प्रणालियों के लिए, सामान्य वाणिज्यिक नाम वितरित नियंत्रण प्रणाली (डीसीएस) को कई निर्माताओं से मालिकाना मॉड्यूलर प्रणाली को संदर्भित करने के लिए गढ़ा गया था जो उच्च गति वाली नेटवर्किंग और डिस्प्ले और नियंत्रण रैक का एक पूर्ण सूट एकीकृत करता था।

जबकि डीसीएस को बड़ी सतत औद्योगिक प्रक्रियाओं की जरूरतों को पूरा करने के लिए तैयार किया गया था, उद्योगों में जहां संयोजी और अनुक्रमिक तर्क प्राथमिक आवश्यकता थी, पीएलसी घटना-संचालित नियंत्रण के लिए उपयोग किए जाने वाले रिले और टाइमर के रैक को बदलने की आवश्यकता से विकसित हुआ। पुराने नियंत्रणों को फिर से कॉन्फ़िगर करना और डिबग करना मुश्किल था, और पीएलसी नियंत्रण ने इलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले के साथ केंद्रीय नियंत्रण क्षेत्र में सिग्नल की नेटवर्किंग को सक्षम किया। वाहन उत्पादन लाइनों पर ऑटोमोटिव उद्योग के लिए पीएलसी पहले विकसित किए गए थे, जहां अनुक्रमिक तर्क बहुत जटिल होता जा रहा था। इसे जल्द ही बड़ी संख्या में अन्य घटना-संचालित अनुप्रयोगों में अपनाया गया, जैसे कि प्रिंटिंग प्रेस और जल उपचार संयंत्र।

स्काडा का इतिहास बिजली, प्राकृतिक गैस और पानी की पाइपलाइनों जैसे वितरण अनुप्रयोगों में निहित है, जहां संभावित अविश्वसनीय या आंतरायिक कम-बैंडविड्थ और उच्च-विलंबता लिंक के माध्यम से दूरस्थ डेटा एकत्र करने की आवश्यकता होती है। स्काडा प्रणाली ओपन-लूप नियंत्रक का उपयोग करता है। भौगोलिक रूप से व्यापक रूप से अलग-अलग साइटों के साथ ओपन-लूप नियंत्रण। एक स्काडा प्रणाली नियंत्रण केंद्र पर पर्यवेक्षी डेटा वापस भेजने के लिए दूरस्थ टर्मिनल इकाइयों (आरटीयू) का उपयोग करती है। मास्टर स्टेशन उपलब्ध नहीं होने पर अधिकांश आरटीयू प्रणाली में हमेशा स्थानीय नियंत्रण को संभालने की कुछ क्षमता होती है। चूंकि, पिछले कुछ वर्षों में आरटीयू प्रणाली स्थानीय नियंत्रण को संभालने में अधिक से अधिक सक्षम हो गए हैं।

समय बीतने के साथ DCS और स्काडा /PLC प्रणाली के बीच की सीमाएं धुंधली होती जा रही हैं। इन विभिन्न प्रणालियों के डिजाइन को चलाने वाली तकनीकी सीमाएँ अब उतनी बड़ी समस्या नहीं हैं। कई पीएलसी प्लेटफॉर्म अब एक छोटे डीसीएस के रूप में रिमोट I/O का उपयोग करके अधिक अच्छा प्रदर्शन कर सकते हैं और पर्याप्त रूप से विश्वसनीय हैं कि कुछ एससीएडीए प्रणाली वास्तव में लंबी दूरी पर बंद-लूप नियंत्रण का प्रबंधन करते हैं। आज के प्रोसेसर की बढ़ती गति के साथ, कई डीसीएस उत्पादों में पीएलसी-जैसे सबप्रणाली की एक पूरी श्रृंखला होती है, जो कि प्रारंभ में विकसित होने पर प्रस्तुत नहीं की गई थी।

1993 में, IEC-1131 की रिलीज़ के साथ, बाद में IEC-61131-3 बनने के लिए, उद्योग पुन: प्रयोज्य, हार्डवेयर-स्वतंत्र नियंत्रण सॉफ़्टवेयर के साथ बढ़े हुए कोड मानकीकरण की ओर बढ़ा। पहली बार, वस्तु-उन्मुख प्रोग्रामिंग (OOP) औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों के भीतर संभव हुई। इससे प्रोग्रामेबल ऑटोमेशन कंट्रोलर (पीएसी) और औद्योगिक पीसी (आईपीसी) दोनों का विकास हुआ। ये पाँच मानकीकृत IEC भाषाओं में प्रोग्राम किए गए प्लेटफ़ॉर्म हैं: लैडर लॉजिक, स्ट्रक्चर्ड टेक्स्ट, फंक्शन ब्लॉक, इंस्ट्रक्शन लिस्ट और सीक्वेंशियल फंक्शन चार्ट। उन्हें आधुनिक उच्च-स्तरीय भाषाओं जैसे C या C++ में भी प्रोग्राम किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, वे मैट‌ लैब और सिमुलिंक जैसे विश्लेषणात्मक उपकरणों में विकसित मॉडल को स्वीकार करते हैं। पारंपरिक पीएलसी के विपरीत, जो मालिकाना ऑपरेटिंग प्रणाली का उपयोग करते हैं, आईपीसी विंडोज आईओटी का उपयोग करते हैं। आईपीसी के पास पारंपरिक पीएलसी की समानता में बहुत कम हार्डवेयर लागत वाले शक्तिशाली मल्टी-कोर प्रोसेसर का लाभ है और डीआईएन रेल माउंट जैसे पैनल पीसी के रूप में टच-स्क्रीन के साथ या एक एम्बेडेड पीसी के रूप में अच्छी तरह से फिट बैठता है। नए हार्डवेयर प्लेटफॉर्म और प्रौद्योगिकी ने डीसीएस और एससीएडीए प्रणाली के विकास में महत्वपूर्ण योगदान दिया है, सीमाओं को और धुंधला कर दिया है और परिभाषाएं बदल दी हैं।

सुरक्षा
स्काडा और पीएलसी साइबर हमले की चपेट में हैं। अमेरिकी सरकार की संयुक्त क्षमता प्रौद्योगिकी प्रदर्शन (JCTD) जिसे मोज़ाइक (औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों के लिए अधिक स्थितिजन्य जागरूकता) के रूप में जाना जाता है, महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचा नियंत्रण प्रणालियों के लिए साइबर सुरक्षा रक्षात्मक क्षमता का प्रारंभिक प्रदर्शन है। मोज़ाइक साइबर हमले, जैसे कि बिजली, पानी और अपशिष्ट जल, और सुरक्षा नियंत्रण, भौतिक वातावरण को प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण बुनियादी ढाँचे नियंत्रण प्रणालियों की रक्षा के लिए साइबर रक्षा क्षमताओं के लिए रक्षा विभाग (DOD) की परिचालन आवश्यकता को संबोधित करता है। मोज़ाइक JCTD प्रोटोटाइप को आगे के अनुसंधान और विकास के लिए उद्योग दिवसों के माध्यम से वाणिज्यिक उद्योग के साथ साझा किया जाएगा, एक दृष्टिकोण जिसका उद्देश्य महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचा नियंत्रण प्रणालियों के लिए साइबर सुरक्षा के लिए एक अभिनव, गेम-चेंजिंग क्षमताओं का नेतृत्व करना है।

यह भी देखें

 * स्वचालन
 * औद्योगिक सुरक्षा प्रणाली
 * एमटीकनेक्ट
 * ओपीसी फाउंडेशन
 * सुरक्षा उपकरण प्रणाली (एसआईएस)
 * नियंत्रण प्रणाली सुरक्षा
 * संचालन प्रौद्योगिकी

अग्रिम पठन

 * Guide to Industrial Control Systems (ICS) Security, SP800-82 Rev2, National Institute of Standards and Technology, May 2015.

बाहरी संबंध

 * Proview, an open source process control system
 * Proview, an open source process control system