《工业控制网络安全技术与实践》一一2.4 工业控制系统现场设备的种类

简介:

本节书摘来自华章出版社《工业控制网络安全技术与实践》一 书中的第2章,第2.4节,作者:姚 羽 祝烈煌 武传坤  ,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.4 工业控制系统现场设备的种类

现场设备是工业控制系统的基本组成部分,本节以智能电子设备(Intelligent Electronic Device,IED)和人机界面(HMI)为例,介绍其基本概念、组成部分、工作原理和主要功能。
2.4.1 智能电子设备
IEC 61850标准对智能电子设备的定义如下:“由一个或多个处理器组成,从外部源接收和传送数据或控制外部源的任何设备(即电子多功能仪表、微机保护、控制器),在特定的环境下接口所限定范围内能够执行一个或多个逻辑节点任务的实体”。[14]
IED处理流程如图2-5所示。检测的信号主要是三相电压、三相电流信号。信号前端电路将执行低通滤波功能,滤除对信号影响比较大的杂波。随后信号被高速A/D转换器(模数转换器)采集,通过A/D转换器+CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)电路实现,最后通过数据总线送至DSP。完成参数计算后,DSP把数据格式进行统一打包上传给主控IED,其主要功能是接收检测IED的数据,并上传给数据库。
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图2-5 IED处理流程
2.4.2 人机界面
人机界面(Human-Machine Interface,HMI)是连接可编程逻辑控制器(PLC)、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备,利用显示屏显示,通过输入单元(如触摸屏、键盘、鼠标等)写入工作参数或输入操作命令,实现人与机器信息交互的数字设备。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括处理器单元、显示单元、输入单元、通信接口、数据存储单元等,其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低,是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同,处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分,即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC Windows操作系统下的画面组态软件(如JB-HMI画面组态软件)。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”,再通过PC和HMI产品的串行通信口,把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行[15]。人机界面硬件构成如图2-6所示。
目前市场上流行的人机界面产品的品牌和种类比较繁多,但都具有以下基本功能:
1)设备工作状态显示,如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等。
2)数据、文字输入操作,打印输出。
3)生产配方存储,设备生产数据记录。
4)简单的逻辑和数值运算。
5)可连接多种工业控制设备组网。
人机界面的特点包括如下几个方面。
1)实时性:人机界面对各种事件的响应具有一定的时限要求,具有实时处理事件的特性。
2)并发处理:在实际环境中,需实时处理的外部事件往往不是单一的,而这些事件都是随机发生的,有可能同时出现。因此,需具有分布和并发处理的特点。
3)系统可裁剪:由于人机界面在各种设备上使用的功能不同,且存储的容量非常有限,因此需尽量把一些冗余的功能删除。这就要求系统设计是模块化的,能够根据不同的需求选择不同的模块。
4)可靠性:人机界面产品一般都安装在特定的机器设备上,有些机器需要长时间运行,工作环境恶劣,必须保证设备在运行的过程中不出错。
5)通用性:人机界面应用广泛,在不同的机器设备上所需要的功能都有所不同,开发人员不可能为不同的应用开发不同的产品,因此需要开发的人机界面适应于不同的工作环境。
人机界面产品的种类很多,包括如下几种。
1)薄膜键输入的人机界面,显示尺寸小于5.7寸(1寸=3.33cm),画面组态软件免费,属初级产品。如POP-HMI 小型人机界面。
2)触摸屏输入的人机界面,显示屏尺寸为5.7~12.1寸,画面组态软件免费,属中级产品。
3)基于平板计算机的、多种通信口的、高性能的人机界面,显示尺寸大于10.4寸,画面组态软件收费,属高端产品。
随着数字电路和计算机技术的发展,未来的人机界面产品在功能上的高、中、低划分将越来越不明显,HMI的功能将越来越丰富;5.7寸以上的HMI产品将全部是彩色显示屏,屏的寿命也将更长。由于计算机硬件成本的降低,HMI产品将以平板计算机为HMI硬件的高端产品为主,因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通信接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势,是未来HMI产品的发展方向。当然,对于小尺寸的(显示尺寸小于5.7寸)HMI产品,由于其在体积和价格上的优势,随着其功能的进一步增强(如增加I/O功能),将在小型机械设备的人机交互应用中得到广泛应用。

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