سیستم اسکادا چیست و چگونه کار می کند؟
به گروهی از نرم‌افزارهای کاربردی برای کنترل فرایندهای صنعتی، سیستم اسکادا (SCADA) گفته می‌شود. نام این سیستم مخفف شده عبارت (supervisory control and data acquisition) است. از این سیستم بیشتر برای جمع‌آوری داده‌های لحظه‌ای از فواصل دور با هدف کنترل تجهیزات و شرایط استفاده می‌شود. این سیستم، ابزارهای مورد نیاز برای تصمیم‌گیری مبتنی بر داده در مورد فرایندهای صنعتی را در اختیار سازمان‌ها قرار می‌دهد. از این سیستم می‌توان برای مدیریت تقریبا هر نوع فرایند صنعتی استفاده کرد. در این مطلب به‌صورت کامل با سیستم اسکادا، اجزا و ویژگی‌های آن آشنا می‌شویم.
اجزای سیستم اسکادا کدام هستند؟
سیستم‌های اسکادا دارای اجزای نرم‌افزاری و سخت‌افزاری هستند. سخت‌افزارها در این سیستم داده‌ها را جمع‌آوری برای تغذیه به سیستم‌های کنترل‌کننده ارسال می‌کنند. این سیستم‌ها نیز داده‌ها را به سیستم‌های دیگری که داده‌ها را پردازش و به موقع به رابط انسان و ماشین (HMI) ارائه می‌کنند، ارسال خواهند کرد. همچنین سیستم‌های اسکادا تمام رویدادها را برای گزارش وضعیت و فرایند ثبت می‌کنند. در نهایت نیز برنامه‌های اسکادا، در زمانی که شرایط بحرانی یا پرریسک می‌شوند، شروع به هشدار دادن می‌کنند. اما سیستم‌های اسکادا از چه اجزایی برای جمع‌آوری داده‌های لحظه‌ای و فعال کردن آن و افزایش اتوماسیون صنعتی استفاده می‌کنند؟
1- سنسور و محرک‌ها
سنسور به‌عنوان یکی از ویژگی‌های دستگاه یا سیستمی شناخته می‌شود که ورودی فرایندهای صنعتی را تشخیص می‌دهد. محرک نیز به ویژگی سیستم یا دستگاهی گفته می‌شود که می‌تواند مکانیسم فرایند را کنترل کند. به زبان ساده‌تر، یک سنسور مانند یک واحد سنجش مانند متر عمل می‌کند که می‌تواند وضعیت یک دستگاه را نمایش دهد. محرک نیز مانند یک کلید یا شیر کنترل برای کنترل یک دستگاه استفاده می‌شود. سنسور و محرک توسط کنترلرهای میدانی اسکادا کنترل و نظارت می‌شوند
2- کنترل‌کننده‌های میدانی سیستم SCADA
کنترل‌کننده‌های میدانی اسکادا به‌صورت مستقیم با سنسورها و محرک‌ها در ارتباط هستند. به‌طور کلی دو دسته از کنترل‌کننده‌های میدانی وجود دارند.
- در دسته اول، واحدهای تله‌متری از راه دور قرار می‌گیرند که به آن‌ها واحد پایانه کنترل از راه دور (RTU) نیز گفته می‌شود. این تجهیزات برای جمع‌آوری داده‌های تله‌متری و ارسال آن‌ها به یک سیستم اولیه، با حسگرها در ارتباط هستند.
- در دسته دوم، کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) قرار می‌گیرند که با محرک‌ها ارتباط برقرار می‌کنند. هدف این ارتباط، کنترل فرایندهای صنعتی بر اساس تله‌متری جمع‌آوری شده توسط RTU و استانداردهای تعیین‌شده برای فرایندها است.
3- کامپیوترهای نظارتی اسکادا
در سیستم اسکادا از کامپیوترهای نظارتی برای کنترل تمام فرایندها و همچنین جمع‌آوری داده‌ها از دستگاه‌های میدانی و ارسال دستورات به آن‌ها برای کنترل فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود. این اجزای سیستم اسکادا اهمیت بسیار بالایی در کنترل فرایندها دارند.
4- نرم‌افزار HMI
نرم‌افزار HMI وظیفه فراهم کردن سیستمی را برعهده دارد که داده‌ها را از دستگاه‌های میدانی اسکادا جمع‌آوری، ادغام و ارائه می‌کند. همچنین این نرم‌افزار به اپراتورها این امکان را می‌دهد تا وضعیت فرایندهای کنترل‌شده توسط اسکادا را درک و در صورت نیاز آن را اصلاح کنند.
5- زیرساختهای ارتباطی سیستم اسکادا
زیرساختهای ارتباطی به سیستم‌های اسکادا این امکان را می‌دهند تا با دستگاه‌ها و کنترل‌کننده‌های میدانی ارتباط برقرار کنند. این کار با ایجاد توانایی جمع‌آوری داده‌ها از دستگاه‌های میدانی و کنترل تمام آن‌ها توسط اسکادا ممکن می‌شود.
آیا سیستم اسکادا همان اینترنت اشیا صنعتی است؟
در برخی موارد، اسکادا با اینترنت اشیا صنعتی مقایسه می‌شود. با وجود این که میان این دو سیستم شباهت‌های بسیار زیادی وجود دارد، اما دو مفهوم کاملا متفاوت هستند. ارائه‌دهندگان سیستم‌های اسکادا تمایل دارند تا سیستم‌هایی کامل‌تر و یکپارچه‌تر را با یکپارچگی کامل در تمام لایه ها و دستگاه‌ها ارائه کنند. درصورتی‌که ارائه‌دهندگان اینترنت اشیا صنعتی به دنبال قابلیت همکاری بیشتر و گزینه‌های متنوع‌تر برای استقرار سیستم‌ها و دستگاه‌ها در سراسر یک سازمان هستند.
ویژگی‌های سیستم اسکادا
سیستم‌های اسکادا (SCADA) را می‌توان یک پکیج کامل از ویژگی‌های کارامد دانست. با وجود این که هر یک از سیستم‌های اسکادا ممکن است برای برنامه‌ها یا صنایع خاص، ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را داشته باشند، اما بیشتر آن‌ها از ویژگی‌های عنوان شده در زیر پشتیبانی می‌کنند:
- جمع‌آوری داده اساس سیستم‌های اسکادا است؛ چرا که حسگرها داده‌ها را جمع‌آوری کرده و به کنترل‌کننده‌های میدانی تحویل می‌دهند. این تجهیزات نیز داده‌ها را به کامپیوترهای اسکادا انتقال می‌دهند
- کنترل از راه دور از طریق کنترل محرک‌های میدانی بر اساس داده‌های به دست آمده از حسگرهای میدانی در سیستم اسکادا انجام می‌شود
- ارتباطات داده شبکه‌ای تمام عملکردهای اسکادا را فعال می‌کند. داده‌های جمع‌آوری شده از حسگرها باید به کنترل‌کننده‌های میدانی اسکادا منتقل شوند تا این تجهیزات بتوانند با کامپیوترهای نظارتی اسکادا ارتباط برقرار کنند. دستورات کنترل از راه دور از رایانه‌های نظارتی اسکادا به محرک‌ها بازگردانده می‌شوند
- ارائه داده‌ها از طریق نرم‌افزارهای HMI انجام می‌شود که داده‌های فعلی و سابق را برای اپراتورهایی که سیستم اسکادا را اجرا می‌کنند، نمایش می‌دهد
- داده‌های لحظه‌ای و ثبت‌شده هر دو بخش مهمی از سیستم اسکادا هستند. چرا که به کاربران این امکان را می‌دهند تا عملکرد فعلی را در برابر عملکرد گذشته مقایسه کند
- در صورت بروز شرایط خاص و بحرانی، آلارم‌های سیستم‌های اسکادا فعال شده و به اپراتورها هشدار می‌دهند. این هشدارها را می‌توان برای هشداردهی در زمان مسدود شدن فرایندها، از کارافتادگی سیستم‌ها و یا توقف، شروع یا تنظیم سایر جنبه‌های فرایندهای اسکادا پیکربندی کرد
- گزارش عملیات سیستم اسکادا شامل گزارش‌هایی از وضعیت سیستم، عملکرد فرایند و گزارش‌های سفارشی‌سازی شده برای استفاده‌های خاص است.
معماری اسکادا چگونه است؟
معماری سیستم‌های اسکادا به این شکل است که این سیستم‌ها در پنج سطح از شش سطح تعریف‌شده، طبق معماری مرجع سازمانی پوردو برای یکپارچه‌سازی فرایندهای سازمانی عمل می‌کنند. در ادامه با هر یک از سطوح معماری سیستم اسکادا آشنا می‌شویم:
-
- سطح 0: سطح میدانی شامل دستگاه‌های میدانی مانند حسگرها است که برای ارسال داده‌های مربوط به فرایندهای میدانی و محرک‌های کنترل فرایندها از آن استفاده می‌شود
- سطح 1: سطح کنترل مستقیم که شامل کنترل‌کننده‌های محلی مانند PLC و RTU می‌شود. این کنترل‌کننده‌ها به‌صورت مستقیم با دستگاه‌های میدانی از جمله پذیرش داده‌های ورودی از حسگرها و ارسال دستورات به محرک‌های دستگاه میدانی ارتباط برقرار می‌کنند
- سطح 2: به سطح نظارت کارخانه شامل سیستم‌های نظارت محلی گفته می‌شود که داده‌های کنترل‌کننده‌های سطح را جمع‌آوری و دستوراتی را برای آن کنترل‌کننده‌ها صادر می‌کند
- سطح 3: سطح کنترل تولید است که شامل سیستم‌های نظارتی در سراسر سیستم می‌شود. این سطح داده‌ها را از سیستم‌های سطح 2 جمع‌آوری می‌کند. از این داده‌ها برای ارائه گزارش‌های مداوم به سطح زمان‌بندی تولید و همچنین سایر عملکردهای منطقه‌ای مانند هشدارها و گزارش‌ها استفاده می‌شود
- سطح 4: سطح برنامه‌ریزی تولید است که شامل سیستم‌های تجاری برای مدیریت فرایندهای در حال انجام می‌شود
موارد استفاده از اسکادا در صنعت
هدف اصلی استفاده از اسکادا، کمک به خودکارسازی و مدیریت فرایندهای صنعتی است که نظارت و کنترل آن‌ها توسط انسان بسیار پیچیده یا دست‌وپاگیر می‌باشد. این سیستم به‌صورت خاص برای فرایندهایی مفید است که می‌توان روی آن‌ها از راه دور نظارت داشت و آن‌ها را کنترل کرد؛ به‌خصوص در مواردی که امکان کاهش ضایعات و بهبود کارایی وجود دارد. به‌طور کلی با استفاده از این سیستم می‌توان فرایندها را به‌دقت بررسی و با هدف بهبود عملکرد در طول زمان آن‌ها را بهینه‌سازی کرد.
برخی از نمونه‌های صنعتی رایج اتوماسیون توسط سیستم اسکادا به شرح زیر است:
- تولید و توزیع برق
- عملیات پالایش نفت و گاز
- زیرساختهای مخابراتی
- زیرساختهای حمل‌ونقل و کشتیرانی
- تولید فراوری‌های صنعتی
- تولید مواد غذایی و نوشیدنی
- تولید مواد شیمیایی
- زیرساختهای تاسیساتی از جمله کنترل آب و پسماند
چهار مرحله تکامل سیستم اسکادا به شرح زیر هستند:
نسل اول، سیستم‌های یکپارچه: سیستم‌های اسکادا که در ده‌های 60 و 70 میلادی پیاده‌سازی شدند، معمولا RTU ها را به سایت‌های صنعتی متصل می‌کنند که مستقیما به سیستم‌های رایانه مرکزی یا مینی رایانه‌ای متصل بودند. این سیستم‌ها نیز عموما از طریق یک شبکه گسترده به یکدیگر متصل می‌شدند
نسل دوم، سیستم‌های توزیع‌شده: برای اشتراک‌گذاری بیشتر داده‌های عملیاتی در سطح کارخانه و فراتر از آن، سیستم‌های اسکادا از در دسترس بودن گسترده شبکه‌های محلی اختصاصی و رایانه‌های کوچک‌تر و قدرتمند در دهه 80 میلادی استفاده کردند. با این حال، عدم وجود استانداردهای شبکه باز، مانع شکل‌گیری همکاری میان فروشندگان محصولات اسکادا شد
نسل سوم، سیستم‌های شبکه‌ای: در طول دهه 90 میلادی، سیستم‌های اسکادا به قابلیت همکاری بیشتر وابسته به پذیرش صنعت و ادغام پروتکل‌های شبکه استاندارد وابسته بودند. حال سیستم اسکادا می‌تواند به شکل آسان‌تری مقیاس شود. چرا که شرکت‌ها می‌توانستند سیستم را در زیرساختهای صنعتی خود یکپارچه کنند، درصورتی‌که از دستگاه‌ها و سیستم‌های متنوع‌تری استفاده می‌کردند
نسل چهارم، سیستم‌های مبتنی بر وب یا اینترنت اشیا صنعتی: سیستم‌های اسکادا در اوایل دهه 2000 میلادی محبوب شدند. چرا که ارائه‌دهندگان این سیستم‌ها از ابزارهای توسعه نرم‌افزار تحت وب استقبال کردند تا همکاری و دسترسی شفاف را از طریق رابط‌های در دسترس جهانی فراهم کنند. برای مثال می‌توان به مرورگرهای وب اشاره کرد که روی لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های شخصی کار می‌کنند
تفاوت‌های سیستم اسکادا سنتی و مدرن
سازمان‌ها هنوز از منابع محاسباتی سیستم‌های اسکادا قدیمی مانند مین‌فریم‌ها (Mainframe computer ) و حسگرها و محرک‌های اختصاصی قدیمی استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها ممکن است هنوز کاربردی باشند، به همین خاطر سازمان‌ها تمایلی به سرمایه‌گذاری در سیستم‌های اسکادا مدرن‌تر ندارند. هر چند باید گفت که سیستم‌های مدرن اسکادا (SCADA) که بر قابلیت همکاری شبکه، محاسبات توزیع‌شده و زیرساختهای ارتباطی مدرن متکی هستند، بازدهی بهتری را در زمان و منابع ارائه می‌دهند.
مزایای سیستم مدرن SCADA
سازمان‌ها در صورت به‌روزرسانی سیستم‌های قدیمی اسکادا خود از چه مزایای بهره‌مند می‌شوند؟ در پاسخ به این سوال باید بگوییم که مزیت اول این کار، افزایش مقیاس‌پذیری است. به دلیل در دسترس بودن بهتر سخت‌افزار و نرم‌افزار و استفاده از محاسبات ابری برای برآورده کردن تقاضا، سیستم‌های مدرن اسکادا مقیاس‌پذیرتر هستند. از طرف دیگر، این سیستم‌های مدرن قابلیت همکاری بهتری نیز دارند. چرا که سیستم‌های قدیمی دارای سخت‌افزار و نرم‌افزار اختصاصی هستند که در شرایط خاص، توانایی مانور کاربر را به‌شدت کاهش می‌دهند. از دیگر مزایای سیستم مدرن اسکادا می‌توان به پشتیبانی گسترده‌تر از پروتکل‌های ارتباطی مدرن و همچنین پشتیبانی بهتر توسط فروشندگان اشاره کرد.
سیستم اسکادا سابقه‌ای طولانی و آینده‌ای روشن دارد
می‌توان گفت که از سیستم اسکادا بیش از 40 سال است که در سازمان‌ها برای کنترل فرایندها استفاده می‌شود. این سیستم طی این چهار دهه به‌خوبی تکامل یافته است و در حال حاضر با استفاده از اینترنت اشیا صنعتی و پردازش ابری در اوج کارایی خود قرار دارد. هرچند که همچنان می‌توان به بهبود کارایی و قابلیت‌های این سیستم در آینده امیدوار بود.
