ما هو نظام SCADA: العمارة وعمله

يحدث عدد كبير من العمليات في المؤسسات الصناعية الكبيرة. كل عملية تحتاج إلى مراقبتها معقدة للغاية لأن كل جهاز يعطي مخرجات مختلفة. يستخدم نظام SCADA لجمع البيانات من أجهزة الاستشعار والأدوات الموجودة في المناطق النائية. يقوم الكمبيوتر بعد ذلك بمعالجة هذه البيانات وتقديمها على الفور. يقوم نظام SCADA بجمع المعلومات (مثل حدوث تسرب على خط أنابيب) ونقل المعلومات مرة أخرى إلى النظام مع إعطاء التنبيهات بحدوث التسرب ويعرض المعلومات بطريقة منطقية ومنظمة. يستخدم نظام SCADA للتشغيل على أنظمة التشغيل DOS و UNIX. تُعرف هذه العملية برمتها باسم أتمتة . تتناول هذه المقالة نظرة عامة على نظام SCADA.

ما هو نظام SCADA؟

SCADA تعني التحكم الإشرافي والحصول على البيانات. إنه نوع من البرامج التطبيقية للتحكم في العمليات. SCADA هو نظام تحكم مركزي يتكون من وحدات تحكم واجهات الشبكة والإدخال / الإخراج ومعدات الاتصال والبرامج. تُستخدم أنظمة SCADA لمراقبة المعدات والتحكم فيها في العملية الصناعية التي تشمل التصنيع والإنتاج والتطوير والتصنيع. تشمل عمليات البنية التحتية توزيع الغاز والنفط والطاقة الكهربائية وتوزيع المياه. المرافق العامة وتشمل نظام مرور الحافلات والمطار. يأخذ نظام SCADA قراءة العدادات ويفحص حالة المستشعرات على فترات منتظمة بحيث يتطلب الحد الأدنى من تدخل البشر.

شبكة سكادا العامة

تاريخ سكادا

في وقت سابق ، كان يمكن التحكم في المنشآت الصناعية وأرضيات التصنيع يدويًا بمساعدة المعدات التناظرية وأزرار الضغط. نظرًا لتزايد حجم الصناعة ، فقد استخدموا أجهزة ضبط الوقت والمرحلات لتوفير التحكم الإشرافي إلى مستوى ثابت للحد الأدنى من التشغيل الآلي. لذلك ، كان من الضروري وجود نظام مؤتمت بالكامل مع نظام أكثر كفاءة لجميع الصناعات.

نعلم أنه ، لأغراض التحكم الصناعي ، تم تنفيذ أجهزة الكمبيوتر في عام 1950. بعد ذلك ، تم تطبيق مفهوم القياس عن بعد لنقل البيانات وكذلك الافتراضية تواصل . في عام 1970 ، تم تطوير نظام SCADA جنبًا إلى جنب مع المعالجات الدقيقة بالإضافة إلى PLC.

لذلك تم مساعدة هذه المفاهيم بشكل كامل أثناء تطوير الأتمتة التي يتم تشغيلها في الصناعات عن بعد. تم تنفيذ أنظمة SCADA الموزعة في عام 2000. بعد ذلك ، تم تطوير أنظمة SCADA جديدة لمراقبة والتحكم في البيانات في الوقت الفعلي في أي مكان في العالم.

هندسة نظام SCADA

بشكل عام ، نظام SCADA هو نظام مركزي يراقب ويتحكم في المنطقة بأكملها. إنها حزمة برامج خالصة يتم وضعها فوق الأجهزة. يقوم النظام الإشرافي بجمع البيانات الخاصة بالعملية وإرسال التحكم في الأوامر إلى العملية. SCADA هي وحدة طرفية بعيدة تعرف أيضًا باسم RTU.

يتم تنفيذ معظم إجراءات التحكم تلقائيًا بواسطة RTUs أو PLCs. تتكون وحدات RTU من المحول المنطقي القابل للبرمجة والذي يمكن ضبطه على متطلبات محددة. على سبيل المثال ، في محطة الطاقة الحرارية ، يمكن ضبط تدفق المياه على قيمة محددة أو يمكن تغييره وفقًا للمتطلبات.

يسمح نظام SCADA للمشغلين بتغيير نقطة ضبط التدفق ، وتمكين ظروف الإنذار في حالة فقد التدفق وارتفاع درجة الحرارة ، ويتم عرض الحالة وتسجيلها. يراقب نظام SCADA الأداء العام للحلقة. نظام SCADA هو نظام مركزي للتواصل مع كل من التكنولوجيا السلكية واللاسلكية لأجهزة Clint. يمكن لعناصر تحكم نظام SCADA تشغيل جميع أنواع العمليات الصناعية بالكامل.

على سبيل المثال ، في حالة تراكم الكثير من الضغط في خط أنابيب الغاز ، يمكن لنظام SCADA فتح صمام تحرير تلقائيًا.

هندسة الأجهزة

يمكن تصنيف نظام SCADA بشكل عام إلى قسمين:

• طبقة العميل
• طبقة خادم البيانات

تلبي طبقة كلينت التفاعل بين الإنسان والآلة.

تتعامل طبقة خادم البيانات مع معظم عمليات أنشطة البيانات.

تشير محطة SCADA إلى الخوادم وتتكون من جهاز كمبيوتر واحد. تتواصل خوادم البيانات مع الأجهزة الموجودة في الميدان من خلال وحدات التحكم في العمليات مثل PLCs أو RTU. ترتبط PLCs بخوادم البيانات إما مباشرة أو عبر الشبكات أو الحافلات. يستخدم نظام SCADA شبكات WAN و LAN ، وتتكون WAN و LAN من بروتوكولات الإنترنت المستخدمة للاتصال بين المحطة الرئيسية والأجهزة.

المعدات المادية مثل أجهزة الاستشعار المتصلة بـ PLCs أو RTUs. تقوم وحدات RTU بتحويل إشارات المستشعر إلى بيانات رقمية وإرسال بيانات رقمية إلى السيد. وفقًا للتعليقات الرئيسية التي تتلقاها RTU ، فإنها تطبق الإشارة الكهربائية على المرحلات. يتم تنفيذ معظم عمليات المراقبة والتحكم بواسطة RTUs أو PLCs كما نرى في الشكل.

هندسة أجهزة نظام SCADA

هيكلة البرمجيات

تُستخدم معظم الخوادم لتعدد المهام وقاعدة البيانات في الوقت الفعلي. الخوادم مسؤولة عن جمع البيانات ومعالجتها. يتكون نظام SCADA من برنامج برمجي لتوفير بيانات الاتجاه والتشخيص وإدارة المعلومات مثل إجراءات الصيانة المجدولة والمعلومات اللوجستية والخطط التفصيلية لجهاز استشعار أو آلة معينة وأدلة استكشاف الأخطاء وإصلاحها في نظام الخبراء. هذا يعني أن المشغل يمكنه رؤية تمثيل تخطيطي للمصنع الذي يتم التحكم فيه.

هندسة برمجيات SCADA

ومن الأمثلة على ذلك التحقق من الإنذار ، والحسابات ، والتسجيل ، وأرشفة وحدات التحكم في الاستقصاء على مجموعة من المعلمات ، والتي يتم توصيلها عادةً بالخادم.

نظام SCADA يعمل

يقوم نظام SCADA بأداء الوظائف التالية

• اقتناء البيانات
• اتصالات البيانات
• عرض المعلومات / البيانات
• المراقبة / التحكم

يتم تنفيذ هذه الوظائف بواسطة أجهزة استشعار ووحدات RTU ووحدات تحكم وشبكة اتصالات. تُستخدم المستشعرات لجمع المعلومات المهمة وتستخدم وحدات RTU لإرسال هذه المعلومات إلى وحدة التحكم وعرض حالة النظام. وفقًا لحالة النظام ، يمكن للمستخدم إعطاء الأمر لمكونات النظام الأخرى. تتم هذه العملية بواسطة شبكة الاتصالات.

اقتناء البيانات

يتكون نظام الوقت الفعلي من آلاف المكونات وأجهزة الاستشعار. من المهم جدًا معرفة حالة المكونات وأجهزة الاستشعار الخاصة. على سبيل المثال ، تقيس بعض المستشعرات تدفق المياه من الخزان إلى خزان المياه وبعض المستشعرات تقيس ضغط القيمة عند إطلاق الماء من الخزان.

اتصالات البيانات

يستخدم نظام SCADA شبكة سلكية للتواصل بين المستخدمين والأجهزة. تستخدم تطبيقات الوقت الفعلي الكثير من أجهزة الاستشعار والمكونات التي يجب التحكم فيها عن بُعد. يستخدم نظام SCADA اتصالات الإنترنت. يتم نقل جميع المعلومات عبر الإنترنت باستخدام بروتوكولات محددة. أجهزة الاستشعار والمرحلات غير قادرة على الاتصال ببروتوكولات الشبكة لذلك تستخدم وحدات RTU لتوصيل أجهزة الاستشعار وواجهات الشبكة.

عرض المعلومات / البيانات

تحتوي شبكات الدوائر العادية على بعض المؤشرات التي يمكن رؤيتها للتحكم ولكن في نظام SCADA في الوقت الفعلي ، هناك الآلاف من أجهزة الاستشعار والإنذار التي يستحيل التعامل معها في وقت واحد. يستخدم نظام SCADA ملف واجهة الإنسان والآلة (HMI) لتوفير جميع المعلومات التي تم جمعها من أجهزة الاستشعار المختلفة .

المراقبة / التحكم

يستخدم نظام SCADA مفاتيح مختلفة لتشغيل كل جهاز ويعرض حالة منطقة التحكم. يمكن تشغيل / إيقاف أي جزء من العملية من محطة التحكم باستخدام هذه المفاتيح. يتم تنفيذ نظام SCADA للعمل تلقائيًا دون تدخل بشري ولكن في المواقف الحرجة ، يتم التعامل معه بواسطة القوى العاملة.

مكونات SCADA

تتضمن مكونات نظام SCADA ما يلي.

نظام الاشراف

يعمل النظام الإشرافي كخادم اتصال بين برامج واجهة المستخدم والآلة داخل غرفة التحكم في محطات العمل بالإضافة إلى أجهزتها مثل RTUs و Sensors و PLCs وما إلى ذلك. تشتمل أنظمة SCADA الأصغر على جهاز كمبيوتر شخصي واحد فقط للعمل مثل سيد نظام إشرافي بخلاف ذلك ، في حين أن أنظمة SCADA الكبيرة تتضمن العديد من الخوادم ومواقع استرداد المأساة بالإضافة إلى تطبيقات البرامج الموزعة. يتم توصيل الخوادم مثل تشكيل الاستعداد السريع ، وإلا فهي مزدوجة الزائدة لمراقبة فشل الخادم باستمرار.

RTUs (وحدات طرفية بعيدة)

وحدة RTU أو وحدة الطرفية البعيدة هي جهاز إلكتروني وتُعرف أيضًا بوحدات القياس عن بُعد. يشتمل هذا النظام على كائنات مادية يتم توصيلها بوحدات RTU.

يمكن التحكم في هذه الأجهزة من خلال المعالجات الدقيقة. هنا ، يتم استخدام المعالجات الدقيقة للتحكم في وحدات RTU التي تُستخدم لنقل البيانات المسجلة نحو النظام الإشرافي. يمكن استلام البيانات من النظام الرئيسي للتحكم في الكائنات المتصلة.

PLCs (وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة)

يشير المصطلح PLC إلى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة والتي يتم استخدامها في أنظمة SCADA بمساعدة المستشعرات. ترتبط وحدات التحكم هذه بأجهزة الاستشعار لتحويل إشارة خرج المستشعر إلى بيانات رقمية. بالمقارنة مع وحدات RTU ، يتم استخدامها نظرًا لمرونتها وتكوينها وتعدد استخداماتها والقدرة على تحمل تكاليفها.

البنية التحتية للاتصالات

في نظام SCADA ، يتم استخدام مزيج من الراديو والاتصال السلكي المباشر. ولكن ، يمكن أيضًا استخدام SONET أو SDH للأنظمة الفائقة مثل محطات الطاقة والسكك الحديدية. يتم استخدام عدد قليل من البروتوكولات المعيارية السبعة المعترف بها بين بروتوكولات SCADA المدمجة لتقديم المعلومات بمجرد استطلاع RTUs من خلال محطة الإشراف.

برمجة SCADA

في محطة HMI الرئيسية بخلاف ذلك ، تُستخدم برمجة SCADA بشكل أساسي لعمل خرائط ومخططات لتوفير معلومات مهمة جدًا خلال التقدم وإلا عند حدوث فشل الحدث. تستخدم معظم أنظمة SCADA التجارية واجهات متسقة في لغة البرمجة C ، ويمكن أيضًا استخدام لغة البرمجة المشتقة.

واجهة آلة الإنسان

يستخدم نظام SCADA واجهة الإنسان والآلة. يتم عرض المعلومات ومراقبتها ليتم معالجتها من قبل الإنسان. يوفر HMI الوصول إلى وحدات تحكم متعددة والتي يمكن أن تكون وحدات تحكم PLC و RTU. يوفر HMI عرضًا رسوميًا للنظام.

على سبيل المثال ، يقدم صورة بيانية للمضخة المتصلة بالخزان. يمكن للمستخدم رؤية تدفق المياه وضغط الماء. الجزء المهم من HMI هو نظام إنذار يتم تنشيطه وفقًا للقيم المحددة مسبقًا.

واجهة آلة الإنسان

فمثلا ، تم ضبط إنذار مستوى ماء الخزان على 60٪ و 70٪. إذا وصل مستوى الماء إلى أكثر من 60٪ ، فإن الإنذار يعطي تحذيرًا عاديًا وإذا تجاوز مستوى الماء 70٪ ، فإن الإنذار يعطي تحذيرًا خطيرًا.

أنواع نظام سكادا

يتم تصنيف أنظمة SCADA إلى أربعة أنواع تشمل ما يلي.

• أنظمة SCADA متجانسة
• أنظمة SCADA الموزعة
• أنظمة SCADA الشبكية
• أنظمة IoT SCADA

أنظمة SCADA متجانسة

تسمى أنظمة SCADA المتجانسة بأنظمة الجيل الأول أو المبكر. في هذه الأنواع من الأنظمة ، يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر الصغيرة. يمكن تطوير هذه الأنظمة عندما لا تتوفر خدمات الشبكة المشتركة. يمكن تصميم هذه الأنظمة مثل الأنظمة المستقلة دون أي علاقة بالأنظمة الأخرى.

يمكن جمع البيانات من جميع وحدات RTU باستخدام حاسب مركزي احتياطي. تقتصر الوظائف الرئيسية لأنظمة الجيل الأول هذه على عمليات الإبلاغ في حالات الأزمات ومراقبة أجهزة الاستشعار.

أنظمة SCADA الموزعة

تسمى أنظمة SCADA الموزعة أنظمة الجيل الثاني. يمكن توزيع وظائف التحكم عبر العديد من الأنظمة من خلال الاتصال بشبكة محلية. يمكن إجراء عمليات التحكم من خلال مشاركة البيانات في الوقت الفعلي ومعالجة الأوامر.

في هذه الأنواع من الأنظمة ، يتم تقليل حجم وتكلفة كل محطة ولكن لا توجد بروتوكولات شبكة متسقة. نظرًا لأن البروتوكولات كانت ملكية ، فإن عددًا أقل من الناس يفهمون أمان نظام SCADA أثناء التثبيت وتم تجاهل هذا العامل إلى حد كبير.

أنظمة SCADA الشبكية

تُعرف أنظمة SCADA المتصلة بالشبكة أيضًا باسم أنظمة الجيل الثالث. يمكن إجراء الشبكات والتواصل لأنظمة SCADA الحالية باستخدام نظام WAN من خلال خطوط البيانات أو الهواتف. يمكن نقل البيانات بين عقدتين بمساعدة إيثرنت أو اتصالات الألياف الضوئية.

يستخدم هذا النوع من نظام SCADA PLC لضبط عمليات الإبلاغ ومراقبتها بمجرد وجود ضرورة للخيارات الرئيسية.

أنظمة IoT SCADA

أنظمة IoT SCADA هي أنظمة من الجيل الرابع. في هذه الأنظمة ، يتم تقليل تكلفة البنية التحتية للنظام من خلال تنفيذ إنترنت الأشياء من خلال حوسبة سحابية . يعد الحفاظ على هذه الأنظمة ودمجها أمرًا سهلاً مقارنةً بالأنظمة الأخرى.

في الوقت الفعلي ، يمكن الإبلاغ عن حالة هذه الأنظمة من خلال الحوسبة السحابية. لذلك يمكن تنفيذ الخوارزميات مثل التحكم المعقد والتي يتم استخدامها بشكل متكرر في PLCs المعتادة.

أمن SCADA

في الوقت الحاضر ، تُستخدم شبكات SCADA على نطاق واسع في الصناعات الحالية لفحص وفحص البيانات في الوقت الفعلي ، ويمكن التحكم في العمليات الصناعية ، والتواصل مع الأجهزة. لذا فإن أنظمة SCADA ضرورية للمؤسسات الصناعية لأن هذه الأنظمة تشمل الأجهزة والبرامج. لذا ، فإن أمن SCADA ضروري أيضًا في الصناعات.

يستخدم مصطلح أمان SCADA لحماية شبكات SCADA المصنعة بأجهزة الكمبيوتر. شبكات SCADA المستخدمة من قبل بعض الأنظمة هي كهرباء ، والغاز الطبيعي ، وما إلى ذلك. وقد اتخذت المؤسسات الخاصة والحكومية تدابير هذه الشبكات بسبب الدور القيم للتأكد من أمن أنظمة SCADA.

أمثلة على SCADA Security

تشمل التهديدات التي تحدث في أنظمة SCADA ما يلي.

• قراصنة
• إرهابيون
• البرمجيات الخبيثة
• خطأ في الداخل

يحدث ضعف أمان SCADA بشكل رئيسي للأسباب التالية.

• تدريب ضعيف
• تطوير ثغرات التطبيق
• مشاكل أثناء المراقبة
• صيانة أقل

يمكن حماية نظام SCADA عن طريق تعيين جميع الأنظمة الحالية والمراقبة والكشف عن المعهد وإنشاء عمليات لأمن الشبكة.

الفرق بين PLC و SCADA

يشمل الفرق بين PLC و SCADA ما يلي.

SCDA للمنشآت الصناعية النائية

في المؤسسات الصناعية الكبيرة ، تحدث العديد من العمليات في وقت واحد ويحتاج كل منها إلى المراقبة ، وهي مهمة معقدة. تُستخدم أنظمة SCADA لمراقبة المعدات والتحكم فيها في العمليات الصناعية التي تشمل توزيع المياه وتوزيع النفط وتوزيع الطاقة. الهدف الرئيسي من هذا المشروع هو معالجة البيانات في الوقت الحقيقي والتحكم في البيئة الصناعية البعيدة على نطاق واسع. في سيناريو الوقت الفعلي ، يتم أخذ نظام تسجيل درجة الحرارة لتشغيل المحطة عن بُعد.

مخطط كتلة مصنع التحكم في درجة الحرارة الصناعية

يتم توصيل مستشعرات درجة الحرارة بالمتحكم الدقيق ، المتصل بالكمبيوتر في الواجهة الأمامية ، ويتم تحميل البرنامج على الكمبيوتر. يتم جمع البيانات من أجهزة استشعار درجة الحرارة. ترسل مستشعرات درجة الحرارة الإشارة باستمرار إلى المتحكم الدقيق الذي يعرض هذه القيم وفقًا لذلك على اللوحة الأمامية.

يمكن للمرء تعيين المعلمات مثل الحد الأدنى والحد الأقصى على شاشة الكمبيوتر. عندما ترتفع درجة حرارة المستشعر عن النقطة المحددة ، يرسل الميكروكونترولر أمرًا إلى المرحل المقابل. يتم إيقاف تشغيل السخانات المتصلة من خلال جهات اتصال الترحيل وتشغيلها.

هذا هو نظام لتسجيل درجة الحرارة. هنا يتم توصيل 8 مستشعرات درجة حرارة في وضع الإرسال المتعدد بالميكروكونترولر من خلال ADC 0808. ثم يتم إرسال قيم جميع المستشعرات بشكل متسلسل بواسطة متحكم دقيق عبر Max 32 إلى منفذ com للكمبيوتر. يأخذ برنامج 'DAQ System' الذي تم تحميله على جهاز الكمبيوتر هذه القيم ويظهرها على اللوحة الأمامية ، ويسجلها أيضًا في قاعدة البيانات 'daq.mdb'.

يمكن للمرء أن يحدد بالطريقة التفاعلية بعض المعلمات مثل نقطة التحديد ، والحد الأدنى ، والحد الأقصى على شاشة الكمبيوتر. عندما ترتفع درجة حرارة بعض أجهزة الاستشعار إلى ما بعد نقطة الضبط ، يرسل الميكروكونترولر أوامر لترحيل برنامج التشغيل IC. يتم إيقاف تشغيل السخانات المتصلة من خلال ملامسات الترحيل (خاصة بهذا المستشعر) (أو تشغيلها في الحالة المعاكسة). الحد الأقصى والحدود المنخفضة للإنذار. عندما تزيد درجة الحرارة عن الحد المرتفع أو أقل من الحد المنخفض ، سيتم تشغيل المنبه.

سكادا للمصنع الصناعي البعيد

مزايا

تشمل مزايا نظام SCADA ما يلي.

• يمكن تحسين جودة الخدمة
• يمكن تحسين الموثوقية
• تكلفة الصيانة أقل
• يمكن تقليل العملية
• يمكن مراقبة معلمات النظام الكبيرة
• يمكن تقليل القوى العاملة
• يمكن تقليل وقت الإصلاح
• كشف الأعطال وتحديد موقعها
• يخزن كمية كبيرة من البيانات
• وفقًا لمتطلبات المستخدم ، فإنه يعرض البيانات بتنسيقات مختلفة.
• يمكن ربط آلاف أجهزة الاستشعار مع SCADA للتحكم والمراقبة
• يمكن الحصول على محاكاة البيانات الحقيقية من قبل المشغلين
• يعطي استجابة سريعة
• إنه مرن وقابل للتطوير أثناء إضافة موارد إضافية.
• يوفر نظام SCADA معلومات ميكانيكية ورسومية على متن الطائرة
• نظام SCADA قابل للتوسيع بسهولة. يمكننا إضافة مجموعة من وحدات التحكم وأجهزة الاستشعار حسب الطلب.
• نظام SCADA قادر على العمل في المواقف الحرجة.

سلبيات

تشمل عيوب نظام SCADA ما يلي.

• إنه معقد من حيث الوحدات النمطية ووحدات الأجهزة.
• تحتاج إلى محللين ومبرمجين ومشغلين مهرة للمحافظة عليها
• تكلفة تركيب عالية
• يمكن زيادة معدلات البطالة
• يدعم هذا النظام الأجهزة والبرامج المقيدة

التطبيقات

تشمل تطبيقات نظام SCADA ما يلي.

• توليد وتوزيع الطاقة
• النقل العام
• نظام المياه والصرف الصحي
• تصنيع
• الصناعات والمباني
• شبكات الاتصالات
• صناعات النفط والغاز
• توليد الطاقة ونقلها وتوزيعها
• نظام توزيع المياه والخزانات
• المباني العامة مثل التدفئة الكهربائية ونظام التبريد.
• المولدات والتوربينات
• نظام التحكم في إشارات المرور

وبالتالي ، هذا كل شيء عن لمحة عامة عن نظام SCADA (التحكم الإشرافى واستحصال البيانات). يتم التحكم في هذا النظام بواسطة جهاز كمبيوتر يستخدم للتحكم وكذلك مراقبة العمليات المختلفة في المصانع. يستخدم هذا النظام واجهة المستخدم الرسومية (GUI) واتصالات البيانات والإدارة الموسعة لأنظمة المراقبة. إليك سؤال لك ، ما هو PLC؟

مصدر الصورة:

• شبكة SCADA العامة بواسطة mycpanel