Abstract:

Because nowadays the technology is evolving rapidly, the terminology of industrial networking has become blurred. Terms such as “critical infrastructure,” “APT,” “SCADA,” and “Smart Grid” are used freely and often incorrectly

To better understand what Industrial Control Systems are in the present, it is mandatory to know their history, how they evolved in time and what changes defined their path to the present times.

Regulatory agencies worldwide and special commissions have been mandated to help regulate and secure different industrial networks for various industry sectors—each introducing their own specific nomenclatures and terminology. Industrial control systems are defined here as a device, or set of devices, that manages, commands, directs, or regulates the behavior of other devices or systems. This can take a variety of shapes from a large water distribution a processing plant to the system controlling your air conditioners at home.

Infrastructure processes may be public or private, and may contain water treatment and distribution, chemical plants, electrical power transmission and distribution, civil defense siren systems, and large communication systems, wastewater collection and treatment, oil and gas pipelines.

Sistemele industriale de control (ICS) reprezintă un dispozitiv sau un set de dispozitive care au rolul de a gestiona, comanda, conduce sau reglementa activitățile altor echipamente sau sisteme în domeniul industriei. Sistemele de control culeg informații și apoi efectuează o funcție bazată pe parametrii și/sau informațiile pe care le-a primit. Acestea au drept scop acțiunile de monitorizare și control și pot gestiona ceva la fel de vast precum o unitate de producție sau de rafinărie.

Sistemele de control și achiziții de date (SCADA) au în componența lor echipamente software și hardware și le permit entităților să întreprindă acțiuni de monitorizare și control asupra proceselor industriale locale sau în zone îndepărtate, obțin și procesează date în timp real, interacționează direct cu alte dispozitive precum senzori, pompe sau motoare și înregistrează toate evenimentele apărute.

Sistemele de distribuție SCADA sunt utilizate pentru a controla și monitoriza stații aflate la mii de kilometri depărtare, unde centralizarea datelor este un element critic pentru funcționarea sistemului și a proceselor efectuate de către organizație. Camera de comandă reprezintă locul unde se realizează acțiunile de monitorizare și control centralizat pentru stații aflate la mare depărtare, rețele de comunicații, inclusiv monitorizarea alarmelor și prelucarea datelor de stare. Funcția majoră a acestor sisteme este obținerea datelor de la dispozitivele aflate la mare depărtare, precum pompe sau emițătoare pentru a oferi control la nivel global la distanță. Acestea furnizează controlul asupra proceselor la nivel local, astfel încât dispozitivele se activează și se dezactivează la momentul potrivit, sprijinind strategia de control și o metodă de obținere la distanță a datelor si a alarmelor (evenimentelor) pentru a monitoriza aceste procese.

Acest tip de sistem de control este absolut necesar organizațiilor din domeniul industrial dat fiind faptul că acesta reușește să mențină eficiența proceselor întreprinse de acesta, procesează date în timp real care reprezintă un puternic instrument în procesul de luare a deciziei și transmite problemele apărute în cadrul sistemului.

Funcțiile unui sistem de control variază de la cele simple la cele complexe, acestea sunt utilizate pentru a monitoriza activitățile și procesele ce au loc, spre exemplu condițiile de mediu dintr-o clădire de birouri, dar de asemenea sunt utile pentru gestionarea acțiunilor din cadrul unui sistem municipal de apă sau chiar ale unei centrale nucleare. În anumite tipuri de industrii, precum cele chimice, sunt implementate sisteme de siguranță pentru a atenua un eveniment dezastruos în cazul în care sistemele de comandă sau altele eșuează.

Încă de la început, scopurile principale ale sistemelor de control sunt acelea de a obține mai multă productivitate, mai multe activități dintr-un personal mai restrâns și oferă feedback și posibilitati de control pentru a reglementa un proces. Acestea au fost concepute într-un anumit mod pentru a optimiza procesul de prelucrare a unui produs.

Există patru modele principale de sisteme de control ale proceselor care reprezintă tipul procesului ce urmează a fi reglementat, monitorizat și controlat, anume: discrete, batch, continuous, hybrid.

Sisteme de control industrial de tip Discrete Processes reprezintă un tip de proces în care o anumită cantitate de material se deplasează precum o unitate între stațiile de lucru, iar fiecare unitate își păstrează identitatea unică. Acest proces este utilizat în mai multe fabrici de producție, mecanisme și aplicații de ambalare. Asamblarea robotizată, precum cea din producția auto, poate fi considerată de tipul discrete processes. Cele mai multe fabricații de tip discrete includ producția unor piese precum cele de ștanțarea metalului.

Sisteme de control industrial de tip Batch Processes – unele aplicații necesită combinarea unor cantități specifice de materii prime în modalități specifice, pentru durate speciale, având drept scop producerea unui rezultat final sau intermediar. Cel mai cunoscut exemplu este cel cu adezivi, care în mod normal necesită amestecarea materiilor prime în vase încălzite pentru o anumită perioadă de timp spre a forma o cantitate finală de produs. De asemenea, alte exemple sunt și cele ce țin de produsele alimentare, băuturi și medicamente. Batch processes sunt utilizate în general pentru a produce o cantitate relativ mică de produs intermediar pe an.

Sisteme de control industrial de tip Continuous Processes – cele mai importante tipuri de procese din această categorie sunt reprezentate de producția chimică, producția de combustibil și fabricarea de materiale plastice. Continuous processes sunt utilizate în fabrici pentru a produce o cantitate foarte mare de produse pe an.

Sisteme de control industrial de tip Hybrid – sistemele hybrid sunt în mod general cunoscute și înțelese ca fiind sisteme reactive care mixează componentele celor de tip discrete și continuous. Modelul hybrid îi permite celui ce îl utilizează să optimizeze procesul și îi modifică eficiența acestuia. Exemplele privind acest model sunt reprezentate de sistemele flexibile de fabricare și control al proceselor chimice, sisteme de alimentare interconectate, sisteme de gestionare a traficului aerian.

În prezent, este imposibil să se efectueze acțiuni de control și supraveghere asupra proceselor industriale în mod manual, din acest motiv sunt esențiale instrumente automate care pot controla, supraveghea, pot culege și analiza date și generează rapoarte. Toate aceste acțiuni au o singură soluție și pot fi realizate de sistemul SCADA (Sisteme de control și achiziții de date).

Componente principale SCADA:

Human Machine Interface (HMI) – reprezintă o interfață care are rolul de a procesa datele către operator, iar prin intermediul acesteia, operatorul monitorizează și controlează procesele.

Supervisory (computer) system – care adună datele referitoare la procesele întreprinse și le controlează sau trimite comenzi.

Remote Terminal Units (RTUs) – care se conectează cu senzorii, le transformă semnalele în date digitale și le transmite către sistemul de supraveghere.

Programmable Logic Controller (PLCs) – se utilizează ca dispozitive de teren, deoarece sunt mai economice, flexibile și configurabile. Reprezintă un calculator digital de tip industrial care are drept scop realizarea funcției de control, cu precădere pentru aplicațiile industriale.

Communication Infrastructure –  furnizează conexiunea, mediul de comunicatie dintre sistemul de supraveghere și RTUs (Remote Terminal Units).

Cele mai multe acțiuni de control sunt întreprinse automat de către Programmable Logic Controller și Remote Terminal Units. Spre exemplu, calculatorul digital (PLCs) poate controla fluxul de răcire a apei, dar sistemul SCADA poate să permită afișarea și înregistrarea condițiilor de alarmă, precum temperatura prea ridicată.   

Istoricul sistemului SCADA (Sisteme de control și achiziții de date)

Sistemele SCADA au devenit cunoscute în anul 1960, dată fiind necesitatea aflată în continuă creștere de a monitoriza și controla procesele și dispozitivele de la distanță. Sistemele timpurii au fost realizate din computerele mainframe și necesita supravegherea umană, din acest motiv primele sisteme erau costisitoare din punct de vedere al mentenanței și al utilizării. În zilele noastre, în urma evoluției tehnologiei, sistemele SCADA au devenit automatizate, pot fi utilizate eficient, iar costurile s-au redus semnificativ.

Controlul proceselor marilor fabrici industriale a avut o evoluție în mai multe etape. În prima etapă, controlul se realiza de la panourile locale la instalația de procesare, însă cu toate acestea, acest lucru le impunea angajaților să supravegheze panourile respective și nu se dobândea o privire de ansamblu asupra proceselor. Ulterior acestea s-au dezvoltat prin transmiterea semnalelor de la distanță către o cameră de comandă, iar de cele mai multe ori, operatorii se aflau în spatele panourilor din centrul de comandă și toate controalele manuale sau automate erau traimise individual înapoi către stațiile din teren.

Odată cu apariția procesoarelor electronice, a rețelelor de semnalizare electronică de mare viteză și a afișărilor grafice electronice, devenise posibilă înlocuirea controlului de tip discrete cu algoritmi bazați pe calculator, găzduiți pe o rețea de rack-uri, care este utilizată pentru a găzdui hardware de rețea precum routere, modemuri, comutatoare, punctele de acces, de intrare/ieșire cu propriile procesoare de control. Acest lucru a însemnat introducerea sistemului de control distribuit (DCS) care a reușit să permită interconectarea flexibilă, reconfigurarea comenzilor și interfața cu alte sisteme informatice de producție.

Istoricul sistemelor SCADA își are rădăcinile în aplicațiile de distribuție, precum cele de alimentare cu energie electrică, gaze naturale și conductele de apă, în care datele de la distanță trebuie colectate prin semnale de frecvență joasă. Un sistem SCADA utilizează Remote Terminal Units (RTUs) pentru a transmite datele de supraveghere către camera de comandă.

Sistemele SCADA au fost concepute dat fiind faptul că înainte să fie introduse în anii ’60 ai secolului XX, procesele întreprinse în marile fabrici industriale, locale sau de la distanță, erau monitorizate și controlate de către angajați în mod manual. Pe măsură ce procesele industriale și telecomunicațiile s-au dezvoltat, era necesară și automatizarea controalelor și a supravegherii la distanță. Dezvoltarea microprocesoarelor și a calculatoarelor digitale de tip industrial (PLCs) a ajutat întreprinderile prin creșterea capacității acestora de a monitoriza și controla procesele de la distanță.

Controlul automatizat s-a dezvoltat din ce în ce mai mult, iar fabricile industriale din zilele noastre au la bază o serie de sisteme de control, precum cele de control distribuit (DCS), sisteme de control și achiziții de date (SCADA) și programmable logic controllers (PLCs; calculatoare digitale de tip industrial care realizează funcția de control).

În urma apariției pe piață a sistemelor de control distribuit, la jumătatea secolului XX, se punea accent pe control și pe interfața operator, echipamentul de comandă și control. Primul sistem de control distribuit din lume este CENTUM, lansat în anul 1975 de către compania japoneză de inginerie electrică și software, Yokogawa.

Evoluția sistemelor SCADA poate fi apreciată din punct de vedere al dezvoltării tehnologiei și pieței. Din punct de vedere al schimbărilor în domeniul tehnologiei, se poate lua exemplu sistemul de alimentare cu apă a unui oraș, cu mai multe stații de pompare echipate cu dispozitive de teren precum senzorii, unde, înaintea apariției tranzistorului, nu existau computere, prin urmare controlul se realiza cu ajutorul factorului uman. Angajații se deplasau pe teren la fiecare stație pentru a controla manual sistemul și pentru a-i verifica modul de funcționare. Ulterior, drept soluție a fost existența în mod permanent a unui individ la fiecare stație pentru a procesa și transmite datele către unitatea centrală. Evoluția telemetriei, a sistemelor de codare și a transmisiunilor le-a permis companiilor de energie electrică Westinghouse și North Electric Company să dezvolte un sistem de control și supraveghere, denumit Visicode, iar acest lucru este considerat a fi începutul sistemelor SCADA.

Apariția mecanismelor automatizate a redus forța de muncă, a economisit energie prin creșterea eficienței, a redus numărul materialelor și mecanismelor necesare și a îmbunătățit calitatea proceselor și produselor, eficiența și precizia. Sistemele de control au îmbunătățit și nivelul de securitate al angajaților prin faptul că aceștia nu mai au parte de condiții nesigure sau periculoase. Acestea au început prin a le oferi oamenilor modalitatea de a aplica sincronizarea generală și au evoluat prin tehnologie și inovație pentru a putea să identifice și să acționeze în perioade de timp mai reduse (milisecunde) decât pot percepe operatorii umani.

Primul dispozitiv de control din lume este considerată clepsidra lui Ktesibios, datată din perioada anului 250 î.Hr., un dispozitiv uimitor care utiliza apa pentru a alimenta și regla un mecanism precis de timp. Acest dispozitiv a menținut timpul mai precis decât orice ceas inventat până la apariția ceasului cu pendul din secolul XVII.

De la sfârșitul perioadei 1800 și începutul anilor 1900, cele mai multe sisteme de control inventate aveau la bază activitățile proceselor generale și se preocupau de controlul și monitorizarea temperaturii, presiunii, nivelurilor lichidelor și viteza mașinilor rotative. De asemenea, odată cu creșterea numărului navelor și armelor navale precum torpilele, devenea o nevoie sporită de control industrial asupra sistemelor hidraulice, pneumatice și generatoarelor de abur.

De la începutul anului 1950 inginerii au început să realizeze faptul că sistemele de control sunt neliniare, iar măsurătorile reale conțin erori și sunt perturbate de zgomote, iar în sistemele reale, atât procesul cât și mediul sunt nesigure. Istoria sistemelor de control moderne este legată de comunicații și de crearea mecanismelor de procesare a datelor, care au pus bazele computerelor. În anul 1950 a fost inventat primul dispozitiv comercial de procesare a datelor, UNIVAC I, de către Sperry Rand Corporation.

Mașinile pentru modelarea sau prelucrarea metalelor sau a altor materiale rigide s-au automatizat în anul 1950 prin introducerea controlului numeric, prin intermediul unui computer, folosind banda de hârtie perforată, care reprezintă o modalitate de stocare a datelor. Acest lucru a evoluat în Controlul Numeric Computerizat (CNC).

Înainte de anul 1950, sistemele de control predominante erau analogice sau erau pur și simplu controale de tip „on/off” prin comutatoare analogice. Primele sisteme de control digitale (DCS) au început să se dezvolte în anul 1956 și au fost puse în funcțiune în anul 1959 la rafinăria de petrol din Port Arthur, Texas. Aceste sisteme aveau funcția de supraveghere, iar buclele individuale erau manipulate de controlere convenționale electrice, pneumatice, hidraulice, dar monitorizate de computer. Lucrările au început în anul 1959 pentru crearea unui computer digital care să poată controla pe deplin un proces de monitorizare, supraveghere și control industrial.

La sfârșitul anului 1960, unele computere specializate de control al procesului au apărut oferind un control digital direct (DDC). Computerul implementează o forma discretă a unui algoritm de control. Din păcate acest tip computere specializate de control erau costisitoare și au fost înlocuite de microcomputerele mai ieftine de la începutul anilor 1970.

Termenul de SCADA este asociat cu sistemele de control care acoperă o mare zonă geografică. Aceste sisteme au fost instalate acolo unde unele stații de înaltă tensiune adiacente centralelor electrice necesitau control și monitorizare din cadrul camerei de control. Potrivit Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST), SCADA reprezintă sistemele utilizate pentru controlul stațiilor dispersate geografic, de multe ori la mii de km distanță, unde achiziția de date și controlul sunt vitale pentru buna funcționare a sistemului și proceselor sale.

Sistemele de control computerizate nu pot fi imune în fața pericolelor din mediul cibernetic. În anul 2007, cercetătorii din cadrul Laboratorului Național Idaho au reușit să demonstreze eficiența utilizării tehnicilor și metodelor cibernetice de a realiza modificări neautorizate în componentele ICS (Industrial Control Systems) care ar putea avea un impact negativ asupra echipamentelor. Automatizarea generală și controalele automate au adus și vor continua să ofere beneficii societății, prin tehnicile de producție moderne, aprovizionarea cu energie electrică și alimentarea cu apă, controlul asupra mediului, tehnologia informației și a comunicațiilor. Aceste sisteme vor continua să se dezvolte odată cu tehnologia, având un impact și o semnificație din ce în ce mai puternică pentru populația globală.

Referinte:

1.      ISA-62443.01.01 definitions, http://std.iec.ch/glossary

2.      Eric D. Knapp, Joel Thomas Langill, Industrial Network Security Securing Critical Infrastructure Networks for Smart Grid, SCADA, and Other Industrial Control Systems, Second Edition

3.      https://www.sans.org/course/ics-scada-cyber-security-essentials

4.      https://ics.sans.org/media/An-Abbreviated-History-of-Automation-and-ICS-Cybersecurity.pdf