産業用制御システム

産業用制御システム( ICS )は、産業プロセス制御に使用される電子制御システムと関連機器です。制御システムの規模は、数個のモジュール式パネルマウント型コントローラから、数千のフィールド接続を備えた相互接続された大規模なインタラクティブ分散制御システム(DCS) までさまざまです。制御システムは、プロセス変数(PV) を測定するリモート センサーからデータを受信し、収集したデータを必要な設定値(SP) と比較し、制御バルブなどの最終制御要素 (FCE) を通じてプロセスを制御するために使用されるコマンド機能を導出します。

大規模なシステムは通常、監視制御およびデータ収集（SCADA）システム、またはDCSとプログラマブルロジックコントローラ（PLC）によって実装されますが、SCADAおよびPLCシステムは、制御ループの少ない小規模なシステムまで拡張可能です。^[1]このようなシステムは、化学処理、パルプおよび製紙、発電、石油およびガス処理、通信などの業界で広く使用されています。

最もシンプルな制御システムは、それぞれ 1 つの制御ループを備えた小型の個別コントローラに基づいています。これらは通常、パネルに取り付けられており、フロント パネルを直接確認でき、オペレータが手動で介入してプロセスを制御したり、制御設定値を変更したりすることができます。元々は空気圧式コントローラでしたが、現在でもいくつかは使用されていますが、ほぼすべてが電子式になっています。

業界標準のプロトコルを使用して通信するこれらのコントローラのネットワークを使用して、非常に複雑なシステムを作成できます。ネットワークにより、ローカルまたはリモートの SCADA オペレータ インターフェイスの使用が可能になり、コントローラのカスケード接続とインターロックが可能になります。ただし、システム設計の制御ループの数が増えると、プログラマブル ロジック コントローラ(PLC) または分散制御システム(DCS) を使用する方が管理しやすくなり、コスト効率も高くなります。

分散制御システム (DCS) は、プロセスまたはプラント用のデジタルプロセス制御システム (PCS) であり、コントローラ機能とフィールド接続モジュールがシステム全体に分散されています。制御ループの数が増えると、DCS は個別のコントローラよりもコスト効率が高くなります。さらに、DCS は大規模な産業プロセスを監視し、管理する機能を提供します。DCS では、コントローラの階層が通信ネットワークによって接続されており、集中制御室とローカルのプラント監視と制御が可能です。^[2]

DCSを使用すると、カスケードループやインターロックなどのプラント制御を簡単に構成でき、生産管理などの他のコンピュータシステムとのインターフェイスも簡単になります。^[3]また、より洗練されたアラーム処理が可能になり、自動イベントログが導入され、チャートレコーダーなどの物理的な記録が不要になり、制御機器をネットワーク化して制御対象機器の近くに配置できるため、配線が削減されます。

DCS は通常、カスタム設計されたプロセッサをコントローラとして使用し、通信には独自の相互接続または標準プロトコルを使用します。入力モジュールと出力モジュールは、システムの周辺コンポーネントを形成します。

プロセッサは入力モジュールから情報を受信し、その情報を処理し、出力モジュールによって実行される制御アクションを決定します。入力モジュールはプロセス（またはフィールド）内のセンシング機器から情報を受信し、出力モジュールは制御バルブなどの最終制御要素に指示を送信します。

フィールドの入力と出力は、電流ループなどの連続的に変化するアナログ信号、またはリレー接点や半導体スイッチなどの オンまたはオフを切り替える 2 状態信号のいずれかになります。

分散制御システムは通常、入出力信号だけでなく、エラー診断やステータス信号などの高度なメッセージも伝送する Foundation Fieldbus、PROFIBUS、HART、Modbusなどのデジタル通信バスもサポートできます。

監視制御およびデータ収集（SCADA）は、コンピュータ、ネットワーク化されたデータ通信、およびグラフィカルユーザーインターフェイスを使用して、高レベルのプロセス監視管理を行う制御システムアーキテクチャです。監視とプロセスコマンドの発行（コントローラの設定値の変更など）を可能にするオペレータインターフェイスは、SCADA監視コンピュータシステムを通じて処理されます。ただし、リアルタイム制御ロジックまたはコントローラの計算は、プロセスプラントまたは機械とインターフェイスするプログラマブルロジックコントローラやディスクリートPIDコントローラなどの他の周辺機器に接続するネットワークモジュールによって実行されます。^[4]

SCADAのコンセプトは、さまざまなローカル制御モジュールにリモートアクセスするための普遍的な手段として開発されました。これらのモジュールは、さまざまなメーカーのものであり、標準の自動化プロトコルを介してアクセスできます。実際には、大規模なSCADAシステムは、機能的には分散制御システムと非常によく似ていますが、工場とのインターフェイスには複数の手段を使用しています。複数のサイトを含む大規模なプロセスを制御し、長距離で作業することができます。^{[5]これは産業用制御システムで一般的に使用されているアーキテクチャですが、SCADAシステムが}サイバー戦争やサイバーテロ攻撃に対して脆弱であるという懸念があります。^[6]

SCADA ソフトウェアは、制御アクションがRTUまたは PLCによって自動的に実行されるため、監視レベルで動作します。SCADA 制御機能は通常、基本的なオーバーライドまたは監視レベルの介入に制限されます。フィードバック制御ループは RTU または PLC によって直接制御されますが、SCADA ソフトウェアはループの全体的なパフォーマンスを監視します。たとえば、PLC は工業プロセスの一部を通る冷却水の流れを設定値レベルに制御しますが、SCADA システム ソフトウェアでは、オペレータが流れの設定値を変更できます。SCADA では、流れの損失や高温などのアラーム状態を表示および記録することもできます。

PLCは、プロセッサと一体化したハウジングに数十の入出力（I/O）を備えた小型のモジュール式デバイスから、数千のI/Oを備え、他のPLCやSCADAシステムとネットワーク化されることが多いラックマウント型の大型モジュール式デバイスまで多岐にわたります。デジタルおよびアナログの入出力の多様な配置、拡張温度範囲、電気ノイズ耐性、振動や衝撃への耐性を考慮して設計できます。機械の動作を制御するプログラムは、通常、バッテリバックアップまたは不揮発性メモリに保存されます。^[7]

大規模工業プラントのプロセス制御は、多くの段階を経て進化してきました。当初、制御はプロセス プラントのローカル パネルから行われていました。しかし、この方法では、人員が分散したパネルを監視する必要があり、プロセス全体を俯瞰することはできませんでした。次に当然の展開となったのは、プラントのすべての計測値を常駐の中央制御室に送信することでした。多くの場合、コントローラは制御室のパネルの背後にあり、すべての自動および手動制御出力は、空気圧または電気信号の形で個別にプラントに送り返されました。これは実質的に、すべてのローカル パネルを集中管理することであり、人員要件の削減とプロセスの統合された概要という利点があります。

しかし、この配置は、集中制御の焦点を提供する一方で、各制御ループが独自のコントローラ ハードウェアを持っていたため柔軟性に欠け、システム変更には再配管または再配線による信号の再構成が必要でした。また、プロセス全体を監視するために、オペレータが大きな制御室内を絶えず移動する必要がありました。電子プロセッサ、高速電子信号ネットワーク、電子グラフィック ディスプレイの登場により、これらの個別のコントローラを、独自の制御プロセッサを備えた入出力ラックのネットワークでホストされるコンピュータ ベースのアルゴリズムに置き換えることが可能になりました。これらはプラント全体に分散でき、制御室のグラフィック ディスプレイと通信します。分散制御の概念が実現されました。

分散制御の導入により、カスケード ループやインターロックなどのプラント制御の柔軟な相互接続と再構成、および他の生産コンピュータ システムとのインターフェイスが可能になりました。これにより、高度なアラーム処理が可能になり、イベントの自動ログ記録が導入され、チャート レコーダーなどの物理的な記録が不要になり、制御ラックをネットワーク化してプラントの近くに配置して配線を減らすことができるようになり、プラントの状態と生産レベルの概要が把握できるようになりました。大規模な制御システムの場合、一般的な商用名である分散制御システム(DCS) は、高速ネットワークとディスプレイおよび制御ラックの完全なスイートを統合した、多くのメーカーの独自のモジュラー システムを指すために作られました。

DCS は大規模な連続産業プロセスのニーズに合わせて調整されましたが、組み合わせロジックとシーケンシャル ロジックが主な要件である業界では、イベント駆動型制御に使用されるリレーとタイマーのラックを置き換える必要性から PLC が進化しました。古い制御は再構成とデバッグが困難でしたが、PLC 制御により、電子ディスプレイを備えた中央制御エリアへの信号のネットワーク化が可能になりました。PLC は最初、シーケンシャル ロジックが非常に複雑になりつつあった自動車産業の車両生産ライン向けに開発されました。^[8] PLC はすぐに、印刷機や水処理プラントなど、さまざまな他の多数のイベント駆動型アプリケーションに採用されました。

SCADA の歴史は、電力、天然ガス、水道管などの配電アプリケーションに端を発しています。これらのアプリケーションでは、信頼性が低いか断続的な低帯域幅および高遅延のリンクを介してリモート データを収集する必要があります。SCADA システムは、地理的に離れた場所でオープン ループ制御を使用します。SCADA システムは、リモート ターミナル ユニット(RTU) を使用して、監視データを制御センターに送り返します。ほとんどの RTU システムには、マスター ステーションが使用できないときにローカル制御を処理する能力が常に備わっていました。しかし、RTU システムは長年にわたってローカル制御を処理する能力をますます高めてきました。

DCS と SCADA/PLC システムの境界は、時が経つにつれて曖昧になってきています。^[9]これらのさまざまなシステムの設計を左右した技術的な制限は、もはやそれほど大きな問題ではありません。多くの PLC プラットフォームは、リモート I/O を使用して、小型 DCS として十分に機能し、一部の SCADA システムが実際に長距離で閉ループ制御を管理できるほど信頼性が高くなっています。今日のプロセッサの速度が向上したことで、多くの DCS 製品には、当初開発されたときには提供されていなかった PLC のようなサブシステムのフル ラインが備わっています。

1993 年、IEC-1131 (後のIEC-61131-3 )のリリースに伴い、業界では再利用可能なハードウェアに依存しない制御ソフトウェアによるコード標準化の強化へと進みました。産業用制御システム内で初めてオブジェクト指向プログラミング(OOP) が可能になりました。これにより、プログラマブル オートメーション コントローラー (PAC) と産業用 PC (IPC) の両方が開発されました。これらは、ラダー ロジック、構造化テキスト、機能ブロック、命令リスト、シーケンシャル機能チャートという 5 つの標準化された IEC 言語でプログラムされたプラットフォームです。C や C++ などの最新の高級言語でプログラムすることもできます。さらに、MATLABやSimulinkなどの分析ツールで開発されたモデルも受け入れます。独自のオペレーティング システムを使用する従来の PLC とは異なり、IPC はWindows IoTを利用します。 IPC は、従来の PLC よりもハードウェア コストがはるかに低い強力なマルチコア プロセッサの利点があり、DIN レール マウント、タッチ スクリーンと組み合わせたパネル PC、または組み込み PC など、複数のフォーム ファクタに適合します。新しいハードウェア プラットフォームとテクノロジは、DCS および SCADA システムの進化に大きく貢献し、境界をさらに曖昧にし、定義を変えています。

SCADAとPLCはサイバー攻撃に対して脆弱です。MOSAICS （産業用制御システムの状況認識の向上）として知られる米国政府の共同能力技術デモンストレーション（JCTD）は、重要なインフラ制御システムのサイバーセキュリティ防御能力の最初のデモンストレーションです。 ^[10] MOSAICSは、電力、水道、廃水、安全管理などの重要なインフラ制御システムをサイバー攻撃から守るためのサイバー防御能力に対する国防総省（DOD）の運用上のニーズに応え、物理的環境に影響を及ぼすものです。^[11] MOSAICS JCTDプロトタイプは、インダストリーデイズを通じて民間業界と共有され、さらなる研究開発が行われます。このアプローチは、重要なインフラ制御システムのサイバーセキュリティに関する革新的でゲームチェンジャーとなる能力につながることを目的としています。^[12]

• オートメーション
• プラントプロセスおよび緊急停止システム
• MTコネクト
• OPC 財団
• 安全計装システム（SIS）
• 制御システムのセキュリティ
• 運用技術

• 産業用制御システム (ICS) セキュリティ ガイド、SP800-82 Rev2、米国国立標準技術研究所、2015 年 5 月。
• Walker, Mark John (2012-09-08). プログラマブル ロジック コントローラ: その前史、出現、および応用(PDF) (博士論文).オープン大学数学、コンピューティング、テクノロジー学部 コミュニケーションおよびシステム学科. 2018-06-20 にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。 2018-06-20に取得。

• 「産業用コントローラの新時代」。2016 年 3 月 3 日にオリジナルからアーカイブされました。
• オープンソースのプロセス制御システム Proview
• 「PC ベース制御を選択する 10 の理由」。製造オートメーション。2015 年 2 月。