سیستم اسکادا
سیستم اسکادا
فهرست مطالب
- اسکادا چیست؟
- تاریخچه اسکادا
- مقدمات اسکادا
- اهداف اسکادا
- واحد پایانه فرمانده (MTU) (Master Terminal Unit)
- واحد پایانه دوردست (RTU)( Remote Terminal Unit)
- شبکه ارتباطی
- عملکردهای سیستمهای اسکادا
- نرمافزارهای اسکادا
- Citect SCADA – Schneider Electric
- InTouch – Wonderware
- Experion SCADA – Honeywell
- iFIX – General Electric
- Ignition – Inductive Automation
- SIMATIC WinCC V7 – Siemens
- کاربردهای اسکادا
- تولید، انتقال و توزیع نیروی الکتریکی
- واحدهای تولیدکننده
- حمل و نقل عمومی و راه آهن
- تاسیسات آب و فاضلاب
- ساختمانها، اماکن و محیط زیست
- امنیت آبی: نقش سیستم اسکادا
- سایتهای برق حرارتی
- صنایع جنگلداری، کاغذ و خمیر کاغذ
- تفاوت بین PLC و اسکادا
اسکادا چیست؟
اسکادا مخفف لاتین جمع آوری داده و کنترل سوپروایزریاست و به نوعی ساختار سیستم کنترل پردازش اتلاق میشود که از رایانهها، ارتباطات داده شبکهای و رابطهای گرافیکی بین انسان و ماشین (HMI) جهت فعالسازی یک پردازش سطح بالای سرپرستی، مدیریت و کنترل استفادهمینماید. سیستمهای اسکادا جهت تعامل با تجهیزات و سایتهای پردازش صنعتی، با دستگاههای دیگر مانند کنترلگرهای منطقی برنامه پذیر (PLCها) و کنترلکنندههای PID در ارتباط هستند.
مقالهی مربتط:
PLC چیست و کاربردها و انواع PLCها
سیستمهای اسکادا بخش بزرگی از مهندسی سیستمهایکنترل را تشکیل میدهند. سیستمهای اسکادا تکههایی از اطلاعات و دادهها را از یک پردازش که در زمان واقعی تحلیل شدهاند، جمعآوری مینمایند (DA در SCADA). این سیستمدادهها را ضبط و ثبتکرده و این دادههای جمعشده را در HMIهای مختلف ارائهمینمایند. این مسئله به اپراتورهای کنترل پردازش اجازه سرپرستی اتفاقات داخل میدانی، حتی از راه دور را میدهد (S در SCADA). همچنین اپراتورها اجازه کنترل این پردازشها به وسیله تعامل با HMI را خواهندداشت (C در SCADA).
سیستمهای عمومی اسکادا
سیستمهای اسکادا برای گسترهای وسیع از صنایع، بسیار با اهمیت هستند و به طور گسترده جهت کنترل و مانیتورینگ یک پردازش از آنها استفادهمیگردد. نوع استفادهاز سیستمهای اسکادا عموما به گونهایاست که از آنها در کنترل، نظارت و انتقال داده به نحو هوشمند بهره گرفته شود. در دنیای وابسته به داده امروزی، ما همواره به دنبال راهکارهایی هستیم که اتوماسیون را بهبود بخشیده و در طولاستفاده صحیح از داده، تصمیمات مناسبتری بگیرد. سیستمهای اسکادا یکی از بهترین روشها برای دستیابی به این مهم هستند.
سیستمهای اسکادا را میتوان به صورت مجازی اجرا کرد. این به اپراتور اجازه میدهد تا از اتاق کنترل یا محل حضور خود، تمامی پردازش را زیر نظر بگیرد. استفادهاز اسکادا منجر به صرفه جویی چشمگیری در وقت میگردد. به عنوان یک مثال فوقالعاده میتوان بهاستفاده گسترده از سیستمهای اسکادا در سکتور نفت و گاز اشاره کرد. از لولههای بزرگ جهت انتقال نفت و سایر مواد شیمیایی درون واحد تولیدکننده استفادهمیگردد. بنابراین، امنیت نقشی حیاتی دارد. مسائلی مانند اینکه نباید هیچ گونه نشتی در لوله وجود داشتهباشد. در صورت بروز نشتی، از سیستم اسکادا جهت تشخیص آن استفادهمیگردد. چنین سیستمی اطلاعات را استنباط کرده و آنها را به سیستم انتقال میدهد.
ساختار سیستم اسکادا SCADA
سیستمهای عمومی اسکادا شامل هر دو اجزای سخت افزاری و نرمافزاری هستند. رایانه ای که جهت تحلیلاستفاده میشود باید شامل نرمافزار اسکادا باشد. سیستمهای اسکادا در واحدهای صنعتی و تولیدی مختلفی مورداستفاده قرار میگیرند. مانند صنایع انرژی، غذایی، نوشیدنی، نفت و گاز، برق، مدیریت آب و فاضلاب و بسیاری دیگر.
تاریخچه اسکادا
قبل از ظهور اسکادا، کارگاههای تولیدی و سایتهای صنعتی به کنترل و نظارت دستی و فشردن دکمهها و تجهیزات آنالوگ وابسته بودند. با رشد واحدهای تولیدی و صنعتی، استفادهاز رلهها و تایمرها جهت دستیابی به کنترل سوپروایزری در حد مشخصی، رایج شد. متاسفانه رلهها و تایمرها تنها در موارد عملکردهای اتوماسیون حداقلی قابلاستفاده بودند و پیکربندی مجدد سیستم، بسیار مشکل بود. بنابراین یک سیستم کاربردی تر و تمام اتوماتیک توسط تمامی صنایع، مورد تقاضا واقع شد.
در اوایل دهه 1950 رایانه ها با اهداف کنترل صنعتی طراحی شدند. به تدریج مفهوم سنجش از راه دور (تله متری) جهت ارتباطات مجازی و انتقالداده، معرفی گردید. حوالی سال 1970، با تکامل میکروپردازشگرها و مفاهیم PLC، سیستم اسکادا نیز این مجموعه اضافه گردید. این مسئله به توسعه یک سیستم تمام اتوماتیک با قابلیت کنترل از راه دور جهتاستفاده در صنایع کمک کرد. با گذشت سالها و ورود به قرن بیست و یکم، سیستمهای توزیعی اسکادا نیز به منصه ظهور رسیدند.
تعامل زمان واقعی، تجارت را رونق بخشید و رشد صنایع را به مرحله جدیدی برد. حتی اگر اپراتور اطلاعات چندانی از توسعه نرمافزاری نداشت، قادر به مدیریت با سیستمهای مدرن اسکادا بود.
مقدمات اسکادا
اهداف اسکادا
- نظارت: سیستمهای اسکادا به طور مداوم پارامترهای فیزیکی را نظارت میکنند.
- اندازه گیری: پارامتر را جهت پردازش، اندازهگیری میکند.
- جمع آوری داده: دادهها را از RTU، دیتالاگرها و … جمعآوری میکند.
- ارتباطات داده: کمک به ارتباط و انتقال حجم گستردهای از دادهها بین واحدهای MTU و RTU میکند.
- کنترل: نظارت و کنترل برخط زمان واقعی پردازش
- اتوماسیون: به انتقال خودکار و کارآمدی کمک میکند.
سیستمهای اسکادا از واحدهای سخت افزاری و نرمافزاری برخوردارند. کاربردهای اسکادا با استفاده از یک سرور اجرا میشود. اجزای مهم اسکادا شامل موارد زیر میباشد:
- واحد پایانه فرمانده (MTU)
- واحد پایانه دوردست (RTU)
- شبکه ارتباطی
واحدهای تابعی اسکادا
واحد پایانه فرمانده (MTU)
MTU هسته سیستم اسکادااست. این واحد شامل یک رایانه، PLC و یک سرور شبکهاست که به MTU جهت ارتباط با RTUها کمک میکند.
واحد پایانه دوردست (RTU)
از این واحدها در سایتهای میدانی استفادهشده و به حسگرها و عملگرها متصل هستند. از RTU جهت جمع آوری اطلاعات از این حسگرها بهره گرفته22222میشود و سپسداده را به MTU ارسال مینماید. RTU ها از امکان ظرفیت ذخیرهسازی برخوردارند. بنابراین هنگامیکه MTU دستور متناظر را صادر میکند، RTU دادهرا ذخیره و منتقل میکند. اخیرا از واحدهای توسعه یافته در سیستمهای پیشرفتهاستفاده میگردد بطوریکه PLC ها به عنوان RTU به کار گرفتهمیشوند. این مسئله به انتقال مستقیم و کنترلداده بدون هیچ سیگنالی از MTU کمک مینماید.
شبکه ارتباطی
عموما شبکه به معنی اتصالاست. هنگامی که از یک شبکه ارتباطی سخن به میان میآید، مقصود یک لینک بین RTU در میدان و MTU در محل مرکزی میباشد. از کانال ارتباطی سیمی یا بیسیم دو طرفه جهت اهداف شبکهای مورداستفاده قرار میگیرد. مدیومهای ارتباطی مختلف دیگری مانند کابهای فیبر نوری، کابلهای زوجی به هم تابیده و … نیز مورداستفاده قرار میگیرند.
عملکردهای سیستم اسکادا
به طور خلاصه میتوان گفت که سیستم اسکادا مجموعهای از اجزای سخت افزاری و نرمافزاری است که به واحدهای تولیدکننده اجازه عملکردهای بخصوصی میدهد. برخی از مهمترین این عملکردها عبارتند از:
- نظارت و جمعآوری دادهدر زمان واقعی
- تعامل با دستگاههای میدانی و ایستگاههای کنترل به وسیله رابطهای بین انسان و ماشین (HMI)
- ثبت اتفاقات سیستم در یک فایل log (پرونده رخداد)
- کنترل مجازی پروسه تولید
- ذخیره اطلاعات و گزارشات
نرمافزار اسکادا
همانطور که قبلا اشارهشد، نرمافزار نقش بسیار مهمی در پروسه تحلیل ایفا میکند. چندین شرکت بزرگ تولیدی وجود دارند که به طور خاص بر روی نرمافزار اسکادا فعالیت مینمایند. پیش از انتخاب و پیاده سازی نرمافزار اسکادای مناسب، متغیرهای بسیاری جهت بررسی وجود دارند. برخی از آنها عبارتند از:
طول عمر نرمافزار: از آنجاییکه قرار است جهت تهیه نرمافزار سرمایه گذاری زیادی انجام دهید، مهم است که نرمافزار حداقل بین 5 تا 10 سال اعتبار داشتهباشد.
درخواست اطلاعات[1]: این یک اصطلاح تجاری است که جهت مشخص کردن جزئیات در مورد فروشنده ها و تامینکنندهها استفادهمیگردد. اگر نرمافزار را از یک فروشنده خاص تهیه میکنید، او باید بتواند در صورت لزوم به شما پشتیبانی فنی ارائه نماید.
نرمافزار تاریخ نگار: اصطلاح «تاریخ نگار» یعنی اینکه نرمافزار باید دادهها را با تایم استمپ ذخیره کند تا بتوان جهت ارجاعات بعدی از آنها استفادهکرد. بنابراین نرمافزار شما بایستی قادر به کنترل دادهها از میدان و ثبت مشابه آنها باشد.
فناوری اسکادا: همانطور که میدانید فناوری به سرعت در حال رشداست تا با نیازهای ما سازگار گردد. وقتی از فناوری صحبت میشود، منظور این نیست که لزوما باید از آخرین فناوری ارائه شدهاستفاده کنیم. به جای آن باید فناوری ای انتخاب گردد که برای مدت زمان طولانی تری ثابت و امن باقی بماند.
نظارت و مدیریت هشدار: تقریبا تمامی سیستمهای اسکادا از یک ویژگی هشدار برخوردارند که با گسترش نرمافزار، عرضه میگردد. پیکربندی هشدار امری با اهمیت است. دو نوع سیستم هشدار وجود دارد؛ اولی هشدار برپایه سیستم که توسط خود سیستم مدیریت میشود و دیگری هشدار برپایه کاربر که توسط کاربر مدیریت میگردد.
بیایید نگاهی به نرمافزارهای مهم ارائهشده در بازار بپردازیم:
سایتکت اسکادا – اشنایدر الکتریک
یک نرمافزار فشرده، منعطف و قابل اعتماد اسکادا میباشد که توسط شرکت اشنایدر الکتریک عرضه شدهاست. آخرین محصول ارائهشده آنها Vijeo Cirect (نسخه 7.10)است. سایتکت اسکادا همچنان یکی از فناوریهای رایج اسکادا به شمار میرود و شما به عنوان یک توسعه دهنده اسکادا حتما باید با این پلتفرم آشنایی داشتهباشید. این نرمافزار در واقع به عنوان بخشی از جایگزینهای اسکادا برای Wonderware شناخته میشود.
InTouch – Wonderware
InTouch که به یکی از بزرگترین تامینکننده های اسکادا تبدیل شدهاست، توسط شرکت Wonderware عرضه شد و هم اکنون تحت مالکیت اشنایدر الکتریک میباشد. با اینکه Wonderware بازیگر نسبتا جدید در بازار به شمار میرود، به سرعت در حال همه گیر شدناست. پلتفرم سیستم Wonderware یک سیستم اسکادا با اجزای «اتصال و اجرا[2]» میباشد که خودکفا و پرکاربرد است. به دلیل ویژگی خودکفایی سیستم، میتوان آن را با توجه به نیازها، سفارشی سازی نمود. مزیت InTouch ایناست که قادراست از استانداردهای باز در ارتباطات استفادهکرده و با اغلب سیستمهای PLC سازگار گردد.
Experion SCADA – Honeywell
Honeywell یک سیستم PLC رایج، خصوصا در ایالات متحدهاست. آنها همچنین بازیگر بزرگی در عرصه اسکادا به شمار میروند و یک پلتفرم نرمافزاری برای برنامهریزی سیستمهای اسکادا و HMI ارائه میکنند. میتوان از آن به عنوان یک برنامه خوداتکای اسکادا و یا در پلتفرم PLC خود Honeywell (به عنوان مثال پلتفرمهای C200 و C300) و یا RTUهایی مانند Control Edge RTU استفادهنمود. با اینکه نرمافزار اسکادای Honeywell جهت ارتباط بهینه با سایر محصولات این شرکت مانند PLC ها و RTU ها عرضه شدهاست، اما با محصولات سایر شرکتها هم کار میکند.
iFIX – General Electric
جنرال الکتریک (GE) یکی از بزرگترین تجارتهای تولیدی در دنیاست و همچنین نقش مهمی در بازار اسکادا ایفا میکند.iFIX یکی از نرمافزارهای آنها در این زمینهاست و یک سیستم بسیار منعطف اسکادا به شمار میرود. مزیت استفاده از iFIX ، قابلیت آن در توسعه سریع صفحات با HTML5 میباشد. مزیت دیگر، درایورهای بسیاری است که به شما اجازه میدهد تا سیستمهای شبکهای و توزیعی بسازید و به اکثر PLCهای امروزی متصلشده و با آنها تبادل اطلاعات نمایید. همچنین GE دارای PLC های مختص به خوداست اما یک سیستم اسکادای GE لزوما به یک PLC مختص GE جهت عملکرد صحیح، نیاز ندارد.
Ignition – Inductive Automation
Ignition یک برنامه اسکادا استکه از آخرین ساختار IoT با نهایت بازدهیاستفاده مینماید. اگر شما نیاز به سیستمی دارید که با تمامی معیارها و فنون Industry 4.0 سازگار باشد، در این صورت نرمافزار Ignition از شرکت Inductive Automation انتخاب مناسبیاست. این نرمافزار در مقایسه با سیستمهای پرسابقه تر، نسبتا جدید در حوزه صنعت اسکادا به شمار میآید. با این وجود به دلیل یکپارچگی IoT و این نکته که قادر به کار با اغلب سیستمهای PLCاست، این نرمافزار توسط بسیاری از کسب و کارها برای رفع مسائل مربوط به اسکادایشان انتخاب میگردد.
SIMATIC WinCC V7 – Siemens
زمان زیادی از عرضه سیستم اسکادای زیمنس میگذرد و با نام WinCC شناختهمیشود. زیمنس یکی از بزرگترین نامها در صنایع PLC و اسکادا به شمار میرود و بسیاری از کسب و کارها از پلتفرم زیمنساستفاده مینمایند. زیمنس شرکتی عظیماست که در طول سالها پلتفرمهای PLC و اسکادای خود را جهت هماهنگی با آخرین فناوری روز، گسترش دادهاست. این نکته که آنها بازیگر بزرگ و پرسابقهای در عرصه صنعت اسکاداهستند، باعق میشود بسیاری از تجارتها به کاربردهای اسکادای آنها جهت رفع مسائل خود در این زمینه اعتماد کنند.
کاربردهای اسکادا
اسکادا از ویژگیهایی مانند انعطاف پذیری، قابلیت اطمینان و مقیاس پذیری در سیستمهای پیچیده اتوماسیون، استفاده فراگیری کردهاست. کاربردهای بیشماری در دنیای واقعی از تولید انرژی گرفته تا سیستمهای کشاورزی موجود هستندکه اسکادا در فراهم کردن یک جایگزین در نظارت و کنترل به جای طیف وسیعی از سکتورها وارد عمل شدهاست.اسکادا در زمینه های بسیاری از جمله صنایع شیمیایی، گازی، آبی، ارتباطی و سیستمهای قدرت مورداستفاده قرارگرفتهاست.
تولید، انتقال و توزیع نیروی الکتریکی
تاسیسات الکتریکی با استفاده از سیستمهای اسکادا، شارش جریان و ولتاژ خط را تشخیصداده و عملیات مدارشکن را نظارت میکنند و قادر به آنلاین و آفلاین کردن بخشهای مختلف شبکه قدرت میباشند.
واحدهای تولیدی
از سیستمهای اسکادا جهت تنظیم اتوماسیون صنعتی و رباتها و نظارت پروسه و کنترل کیفیتاستفاده میگردد.
حمل و نقل عمومی و راه آهن
مسئولان حمل و نقل از اسکادا جهت تنظیم الکتریسیته برای مترو، واگنهای برقی و اتوبوسهای برقی و به منظور خودکار کردن سیگنالهای ترافیکی راه آهن، نظارت و شناسایی قطارها و اتوبوسها و کنترل دربهای عبوری راه آهن2استفاده مینمایند.
تاسیسات آب و فاضلاب
تاسیسات آب شهری و استانی از اسکادا جهت نظارت و کنترل جریان آب، اتصالات تانکرها، فشار لولهها و سایر متغیرها بهره میبرند.
ساختمانها، اماکن و محیط زیست
مدیران اماکن از اسکادا جهت تنظیم HVAC (فناوریهای مربوط به گرمایش و تهویه هوا)، خنککاری، روشنایی و سیستمهای ورودیاستفاده میکنند.
امنیت آب: نقش سیستمهای اسکادا
پژوهشهای بسیاری در زمینه چگونگی اجرای مفاهیم مدرن اسکادا در سایتهای تصفیه آب با حداقل کردن خطر دسترسی بدون اجازه، در حال انجاماست (خطرات سایبری یک مشکل عمده در تشکیلات بزرگ به شمار میرود). شبکه ارتباطی اسکادا همانطور که در شکل زیر نشان دادهشدهاست، در طول سیستم توزیع آب، پخش شدهاست. کارگاهها خصوصا کارگاههای رایانه محور در تاسیسات تصفیه در یک اتاق کنترل تعبیهشده و به اپراتورها اجازه نظارت بر کلیه روندها و کنترل اندازهگیریها را میدهند.
درون سایت، از PLCها در تصفیه شیمیایی و فیلترهااستفاده شدهاست. از شبکه های محلی (LAN) جهت ارتباط کنترلگرها با کارگاهها استفاده میشود. از واحدهای پایانه دوردست (RTU) در محلهای دور بهره گرفتهشده و معمولا در میدانهای حساس مانند ایستگاههای پمپاژ، تانکرهای ذخیره سازی، دریچهها و مراکز تصفیه یافت میشوند. نمونه گیری رادیویی ارتباطات RTU در یک شبکه گسترده در شکل زیر به نمایش درآمدهاست. یک مزیبت مهم رویه اسکادا، هماهنگی اندازهگیریهای امنیتی با فعالیتهااست. یک سیستم اسکادای متصل به سیستمهای نظارتی پیرامونی میتواند نیاز به خدمههای گشتی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد و یا به طور کلی آنها را حذف نماید.
رویه اسکادا برخلاف گشتها میتواند نظارت دائمی بر تمامی محلها را فراهم نماید. به راحتی میتوان با سیستمها یا امکانات امنیتی مانند دوربینهای ویدیویی، آشکارسازهای حرکت، سوییچهای تماس، دستگاههای صفحه کلیددار و کارتخوانها به صورت مستقیم از طریق شبکه اسکادا و یا از طریق واحد پایانه دوردست (RTU) ارتباط برقرار کرد. همچنین سیستمهای اسکادای امروزی دارای سیستم مدیریت هشدار لحظهای هستند که هشدار در کسری از ثانیه اتفاق میافتد.
سایتهای برق حرارتی
اغلب بازرسیهای سایتهای برق حرارتی به صورت خودکار صورت میگیرد. با این وجود گاهی اوقات عمل دستی اجتناب ناپذیر است. در سایتهای برق حرارتی، تقاضا برای قابلیت اطمینان و بازدهی بیشتر، روز به روز در حال افزایش است. پس از تمرینات تناوبی، سایت برق نیاز به بازرسی و پیگیری مداوم دارد. در صورت اندازه گیری انسانی در فازهای مختلف، امکان اشتباه وجود دارد. برای افزایش قابلیت اطمینان، نیاز به اتوماسیون جهت بهبود بازدهی عمومی سایت برق میباشد. اتوماسیون از طریق استفاده از PLC و اسکادا به دست میآید که اشتباهات انسانی را کاهش میدهد. از سیستم اسکادا جهت نظارت بر یک پروسه کامل استفاده میگردد.
صنایع جنگلداری، کاغذ و خمیر کاغذ
صنعت جنگلداری، کاغذ و خمیرکاغذ نیز به سیستمهای اسکادا متکیاست از اتوماسیون و پروسه کنترل، مدیریت انرژی، کنترل درایو، حفاظت نیرو، سیستمهای حصارکشی و امنیت، همه محل استفاده وسیع از اسکادا هستند.
از سیستمهای اسکادا در طول زنجیره تامین کاغذ استفاده میگردد.
تفاوت بین PLC و اسکادا
در اوایل یادگیری در مورد مهندسی کنترل، ممکناست به راحتی اسکادا و PLC را با یکدیگر اشتباه بگیرید. معمولا این دو اصطلاح را در یک جمله زیاد میشنوید. با اینکه میان این دو نسبتی وجود دارد، اما به وضوح با یکدیگر تفاوت دارند.
PLC یک «کنترلگر منطقی برنامه پذیر» و اصالتا مینی رایانه ستبراست که با یک پنل و تعدادی ورودی و خروجی از دستگاههای میدانی، درون میدان جای میگیرد. PLC وضعیت این ورودیها را زیر نظر میگیرد (مانند سرعت موتور) و با توجه به برنامهای که در داخل خود دارد، با برنامه نویسی، سیگنالهایی را جهت کنترل این دستگاهها ارسال میکند (مانند متوقف کردن موتور).
سیستم اسکادا «بر روی» PLCها قرار میگیرد. PLCها تقریبا همیشه قسمتی از شبکه اسکادا هستند و یک رابطه میدان میدان و اسکادا شکل میدهند.
سیستم اسکادا
با وجود اینکه سیستمهای اسکادا جهت کنترل وجوه مشخصی از میدان، قابل برنامه ریزی هستند، اما چنین وضعیتی معمولا اتفاق نمیافتد. به دلیل پیچیدگی دنیای واقعی، چنین وضعیتی معمولا رخ نمیدهد. در این موارد، ورودی اپراتور جهت عملکرد صحیح این سیستمهای نیمه خودکار ضروریاست.
از این رو سطح «کنترل» صفحه اسکادا (یا HMI) که اپراتور با آن تعامل دارد، عموما بسیار کمتر از کنترل اجرایی در یک PLC میباشد.
هرچیزی که بتواند به راحتی در منطق برنامهریزی شود، قابل برنامه ریزی در PLCاست (برای مثال اگر نرخ شارش از 100 متر بر ثانیه عبور کرد، پمپ را متوقف کن!).
اسکادا به اپراتورها و مهندسان سیستمهای کنترل اجازه میدهد تا نگاهی اجمالی بر روی سایت از بالا داشته باشند و به آنها قابلیت پاسخ دهی به هرگونه وضعیت غیر عادی را اعطا مینماید. ذکر این نکته ضروریاست که سیستم اسکادا به صورت تکنیکی شامل PLCها میباشد که اسکادا با آنها ارتباط برقرار میکند.