Когда большинство людей думают об интернет вещей (IoT), на ум приходит домашняя автоматизация. Но с точки зрения сложности, домашняя автоматизация — это примитивная сеть по сравнению с приложениями в «умных» городах, огромными производственными мощностями и, в конечном итоге, соединяющая все необходимое для обеспечения автономности автомобилей.
Тем не менее, IoT может оказать наибольшее влияние на рынок коммунальных услуг, а некоторые приложения интернет вещей считаются критически важными. Многие предприятия десятилетиями используют системы диспетчерского контроля и сбора данных (Supervisory Control And Data Acquisition или сокращенно SCADA) для мониторинга и управления обширными активами промышленной, государственной, энергетической и других отраслей. Интернет вещей и SCADA во многом различны, но первое настолько всеобъемлющее, что наверняка повлияет и на SCADA. Вопрос сейчас в том, как?
Для тех, кто не знаком со SCADA, это надзорная система, предназначенная для мониторинга и управления критически важным оборудованием, обычно расположенным на большой территории. Это важнейшая технология для обеспечения надежной работы систем, начиная от контроля уровня воды или отходов и заканчивая распределением энергии, переработкой нефти и газа, транспортировкой, работающими на ископаемом топливе (ТЭС) и атомными электростанциями (АЭС), и многими другими системами. Без SCADA эти системы работали бы «в слепую» без обратной связи относительно состояний сотен, а то и десятков тысяч сверх важных областей.
Системы SCADA предлагают две основные функции: первая — дистанционное управление оборудованием (таким как силовые выключатели и разъединители для включения / отключения
нагрузки, клапаны и исполнительные механизмы, телеметрия), вторая функция — сообщать о текущем состоянии управляемого оборудования на диспетчерский пункт.
Системы SCADA предлагают две основные функции: дистанционное управление оборудованием, таким как силовые выключатели и разъединители для включения / отключения нагрузки, клапанами и исполнительными механизмами, телеметрией, а также чтобы сообщать об их текущем состоянии в диспетчерский пункт. Они также позволяют дистанционно измерять и сообщать более детальные данные с датчиков, подключенных к этим и другим устройствам.
Эта концепция была задумана, по крайней мере, еще в 1930-х годах, для обеспечения контроля за электроэнергетическими системами, и в течение ряда лет периодически обновлялась для повышения производительности и уменьшения влияния человека. Система состоит из аппаратного и программного обеспечения, проводной и беспроводной связи, а также программируемых логических контроллеров (ПЛК) и удаленных оконечных устройств (RTU), к которым подключены различные типы датчиков. На всем этом оборудовании находятся контролирующие возможности SCADA.
Данные от датчиков или RTU могут передаваться с помощью любых доступных средств, от телефонных линий до Ethernet, спутниковых или беспроводных сенсорных сетей (WSN), в зависимости от того, что доступно и является экономически эффективным. По-прежнему используются различные проводные протоколы, некоторые из которых относятся к самым ранним развертываниям SCADA, хотя существует тенденция к использованию протоколов с открытым исходным кодом для устранения зависимости от проприетарных решений.
Информация от датчиков отправляется в центр управления, где отображаются все точки в системе. В крупном промышленном объекте или центре управления инженерными сетями (рисунок ниже) находится стена из мониторов, поразительно напоминающая НАСА Mission Control. Система SCADA также имеет функцию «историк», базу данных с метками времени о сигналах тревоги, измерениях и других типах информации, которые могут использоваться для статистического анализа.
SCADA и IIoT
С появлением промышленных интернет вещей (IIoT) появились различные мнения о том, что будет со SCADA, начиная от SCADA, дополняющего IoT, и заканчивая постепенным исчезновением SCADA в рамках IIoT. Тем не менее, «умные деньги» на SCADA не просто выживают, а расширяют свою управляющую роль, добавляя некоторые функции, используемые интернет вещей. Это включает в себя обработку и аналитику на основе периферийных и облачных сред, которые обеспечивают автоматическое профилактическое и, в конечном итоге, предписывающее обслуживание, что снижает зависимость системы от вмешательства человека.
SCADA не исчезнет в ближайшее время по той простой причине, что современные системы SCADA намного опережают развертывания промышленных интернет вещей. И это будет иметь место в течение многих лет, потому что они являются важным компонентом в критически важных системах, которые были развернуты и модифицированы всего несколько раз в течение десятилетий. Эти системы включают ядерные реакторы, оборонительные сооружения, энергосистему, всю отрасль ископаемого топлива и многое другое. Оптовая замена этих систем чистыми решениями IIoT также будет непомерно дорогой и чрезвычайно разрушительной, что может привести к тому, что некоторые активы станут незащищенными от кибератаки во время перехода.
Поэтому неудивительно, что SCADA представляет собой значительную часть мирового рынка систем управления промышленностью, который, согласно прогнозам, к 2024 году составит почти 200 миллиардов долларов. Короче говоря, хотя IIoT будет продолжать проникать в другие отрасли, SCADA продолжит обеспечивать свои традиционные функции сигнализации, регистрации данных, контроля в реальном времени и управления базами данных — только лучше.
Новые «волны» беспроводной SCADA
Традиционно беспроводная SCADA использовала автономную сеть, специально разработанную для минимизации единичных точек отказа, которые могли бы разрушить всю систему. Чтобы достичь этого, было сделано много улучшений для повышения этой устойчивости за счет предоставления избыточных путей прохождения сигнала, топологий сети ячеистого типа и различных беспроводных систем и технологий.
Коммунальные предприятия и другие критически важные отрасли уже давно решили, что единственный способ обеспечить надежность — это построить собственные проводные и частные беспроводные сети. Считалось, что коммерческие сети недостаточно надежны и большая часть коммунальной инфраструктуры находится в местах, не обслуживаемых коммерческими провайдерами. В результате сегодня коммунальные предприятия владеют не менее 80% собственных сетей связи и экономно используют коммерческие системы. Изначально сети обслуживали только голосовую связь, но когда SCADA начала развертывание, данные были добавлены в соединение, и сегодня они составляют большую часть трафика.
Тем не менее, другие отрасли, не обозначенные как критически важные, используют почти все общие стандарты и протоколы, от нелицензированных промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонов на частотах от 902 до 928 МГц, 2,4 ГГц и 5,7 ГГц, WiMAX, TETRA, второй и третьей методы сотового доступа нового поколения, цифровая мобильная радиосвязь (DMR) и частные наземные мобильные радиосистемы. Спутниковые системы также широко используются, особенно в отраслях, активы которых географически разбросаны по разным точкам. Хорошим примером этого является нефтегазовая промышленность и добыча нефти на шельфе.
Точка-точка и точка-многоточка радиочастотные и микроволновые каналы связи были основой SCADA на протяжении многих лет, что позволяло подключать широко распространенные ресурсы, а также обеспечивать высокую скорость передачи данных и высокую надежность. Энергосистема иллюстрирует, где линии микроволновой связи и другие беспроводные технологии играют роль в сложной, географически массивной сети, которая может быть разделена на три уровня (рисунок ниже). Уровень 1, магистраль сети, обслуживается оптоволоконными и двухточечными микроволновыми линиями связи в кольцевой топологии, так что любой узел может связываться с центральным узлом двумя совершенно разными путями. Большинство утилит использовали для этой цели лицензионные частоты около 6 ГГц.
Как всегда, оптоволокно является предпочтительной средой передачи, но его очень дорого и часто практически невозможно развернуть, особенно в отдаленных районах. В результате микроволновые каналы составляют как минимум половину магистральной инфраструктуры. Они могут обеспечить очень высокоскоростное соединение по многим переходам в обширном географическом регионе. Обычно на башне установлено до четырех радиостанций. Протоколом в обоих случаях обычно является Carrier Ethernet, хотя используются и другие.
Преимущество микроволновых линий связи заключается в их способности отправлять информацию на большие расстояния с минимальным количеством инфраструктуры с использованием экономичных антенн, монтируемых на башне. Например, KP-5PDN-2 (рисунок ниже) является универсальной 2-футовой параболической антенной с разъемами N-типа, охватывающими диапазон от 4,9 до 6,4 ГГц с усилением 30 дБи. Ее высоконаправленная схема снижает помехи и обеспечивает надежную связь на трассах в десятки километров. YA17KPPD — это прочная промышленная антенна Yagi, работающая на частотах от 880 до 948 МГц с усилением 17 дБи и способная выдерживать сильное обледенение, сильный ветер и другие суровые условия окружающей среды.
Второй уровень связан с использованием двухточечных микроволновых линий (СВЧ) для обеспечения телеметрии и транзитного соединения с подстанциями, которые подключены к магистрали уровня 1. Одной из основных проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются коммунальные предприятия, является отсутствие доступного спектра почти в любом месте на частоте 6 ГГц и ниже, поэтому они должны справляться с совместным использованием частот с использованием новой Гражданской широкополосной радиослужбы (CBRS) FCC на частоте 3,5 ГГц.
Разделение частот становится все более распространенным в настоящее время из-за отсутствия доступного спектра. Однако для критически важных приложений это оставляет желать лучшего. То есть распределенный спектр делится на три класса, первый из которых является действующим (в основном правительственные радары). Эти сотрудники должны быть защищены от вмешательства лицензированных лицензиатов с приоритетным доступом (PAL). Пользователи нелицензионного общего авторизованного доступа (GAA) самого низкого класса, которые не имеют защиты от высших классов и не должны мешать им. Поскольку CBRS только сейчас разворачивается, еще неизвестно, насколько хорошо эта чрезвычайно сложная система будет работать в качестве другого сценария совместного использования частот, поскольку так называемые пустые частоты между 470 и 790 МГц обладают значительными проблемами.
Третий уровень — тот, который напоминает то, что большинство людей считают IoT, поскольку он состоит из множества датчиков и удаленных оконечных устройств (RTU), обслуживаемых маломощной, низкоскоростной сетью, использующей узкие каналы на частоте 900 МГц. Уровень 3 обычно является гораздо более локализованным решением. Тем не менее, для передачи видео с высоким разрешением, которое сегодня используется ограниченно, все чаще требуется более высокая скорость передачи данных, но, вероятно, это потребуется в будущем.
Поскольку 6 ГГц является одной из основных частот, используемых коммунальными службами для SCADA, управления в чрезвычайных ситуациях и наземной подвижной радиосвязи, растет обеспокоенность в связи с уведомлением FCC о предлагаемом «нормотворчестве», которое позволит использовать полосу частот 5,925–7,125 ГГц для нелицензионной работы другими службами. Как и любой другой фрагмент потенциально доступного спектра, он является спорным из-за возможности помех для других служб, работающих друг с другом или «рядом» друг с другом.
Однако для критически важной инфраструктуры совместное использование спектра частот представляет потенциальные проблемы национальной безопасности, поэтому он всегда полагался на свои собственные сети, работающие на лицензированных частотах. Например, атомные электростанции почти полностью полагаются на 6-ГГц системы для обратной связи. Коммунальные службы уже были спектрально «перефразированы» один раз с частот около 2 ГГц в 1990-х годах, что потребовало огромных затрат, чтобы освободить место для коммерческих служб.
Если это произойдет снова, альтернативы будут на частотах 8 и 11 ГГц, чьи характеристики распространения менее благоприятны, чем 6 ГГц, для расстояний между СВЧ радиостанциями. Следовательно, для этого потребуется нечто большее, чем просто изменение аппаратных частот. Анализ покрытия потребуется в огромных масштабах, наряду с перемещением существующих вышек и добавлением новых, включая их установленное оборудование, такое как параболические антенны. На момент написания статьи не было принято решение о том, как будет использоваться этот спектр.
IIoT и SCADA
Появление IoT уже создало одно возможное преимущество для организаций, использующих SCADA: конкуренция между сотовой промышленностью и поставщиками LPWAN за обеспечение связи между развертываниями IoT и интернетом. Оба предлагают решения, разработанные специально для подключения огромного количества устройств, которые передают минимальные объемы данных.
Для этой цели операторы сотовой связи предлагают протоколы LTE-M и узкополосного IoT (NB-IoT), в то время как LPWAN все чаще сосредоточены на двух решениях — Sigfox и разновидностях протокола LoRa, таких как LinkLabs Symphony Link. Разница между этими решениями и 4G заключается в том, что они ориентированы на потребности небольших устройств с питанием от батарейки, а не на невероятно высокие скорости передачи данных, необходимые для потребительских приложений.
Операторы критически важной инфраструктуры утверждают, что, хотя сотовые беспроводные сети являются бесспорными лидерами в обеспечении повсеместного покрытия, они все еще являются коммерческими системами и не отвечают их требованиям к надежности. Кроме того, операторы связи и провайдеры LPWAN взимают плату за каждый узел, к которому они подключаются. В частности, в случае LPWAN покрытие — это лишь небольшая часть того, что предлагает сотовая связь, огромнейший конкурент, с которым состязаться очень тяжело.
Тем не менее, чтобы адекватно обслуживать «Индустрию 4.0», обе службы должны найти способ подключения устройств с минимальным или отсутствующим современным подключением — проводным или беспроводным. Это могут быть насосы, которые эксплуатируются годами, но все еще работают нормально, стоят дорого, и менять их бессмысленно, если требуется только подключение к современной сети.
Решением этой проблемы является «подключение». Это можно сделать с помощью недорогого устройства, которое распознает изменения в некоторых критических рабочих характеристиках (например, шум или вибрация), преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму и передает его на шлюз через один из различных беспроводных протоколов ближнего действия, используемых для интернет вещей (Zigbee, Bluetooth, Z-Wave и другие).
Однако возникают проблемы при использовании этого подхода в среде SCADA, датчики которой обычно используют проводные соединения с RTU или, как некоторые из их традиционных промышленных аналогов, вообще не имеют подключения. Многие из мест, контролируемых SCADA, далеки от цивилизации и работают в неблагоприятных условиях окружающей среды, по сравнению с другими промышленными производствами. В большинстве случаев это не является непреодолимой проблемой, так как для защиты устройства можно добавить некоторую форму защиты, предполагая, что это дополнение действительно стоит усилий.
Другой фундаментальный вопрос при рассмотрении интеграции IoT со SCADA — стоит ли рисковать, поскольку доступ к сети интернет является обязательным требованием IoT. В SCADA почти все процессы принятия решений, хотя и ограниченные по сравнению с интернет вещей, находятся в ПЛК или RTU, что устраняет все более обременительные проблемы с безопасностью в интернете. С IoT решения также принимаются локально, все чаще на периферийных компьютерах и шлюзах, но данные в конечном итоге попадают в облачный центр обработки данных — через сеть интернет.
Выводы
IoT может захватить промышленный мир «штурмом», но он не заменит системы SCADA, по крайней мере, в обозримом будущем. Вместо этого SCADA возьмет те элементы IoT, которые ему выгодны, такие как усовершенствованные датчики, и в конечном итоге сможет выполнять профилактическое и прогностическое обслуживание. В настоящее время самой большой проблемой SCADA является, возможно, поиск частот, на которых она может выполнять свои критически важные функции без вмешательства со стороны других служб. Как только эта проблема будет решена, у нее есть четкий путь к переходу от супервизора к полностью автоматизированному решению, использующему искусственный интеллект высокого разрешения и многие другие технологии.
