چگونه نظارت تصویری از راه دور برای سیستم ­های SCADA و HMI صنعتی را کنترل کنیم؟

پیشرفت­های زیادی در سال­های اخیر در فناوری­ های سخت ­افزاری و نرم­ افزاری ایجاد شده است که گزینه­ های بیشتری را در زمان اجرا فراهم می­کنند که می­توان در مورد حوزه و داده­ های مورد نظر به کار برد و می­توان آنها را وارد اتاق کنترل کرد. با این حال این ابزار فقط داده برای شما فراهم می­کند. این داده باید به اطلاعات عملی تبدیل شود تا ابزار نظارت، کنترل و اتوماسیون موثری باشد. هنوز خلائی بین داده ارائه­ شده و آنچه واقعا این داده درباره فرآیند می­گوید وجود دارد. یک سیستم نظارت تصویری از راه دور جامع می­تواند این خلا را پر کند.

چنین سیستمی می­تواند داده لازم را ارائه کند که قبلا به اطلاعات معنادار درباره فرآیند تفسیر شده است. با وجود آنکه تصویر به تنهایی سودمند است، ویدیویی که به سیستم کنترل نظارتی و دستیابی به داده (SCADA) شما متصل است معنادارتر خواهد بود. در مقوله سیستم نظارت تصویری از راه دور، دوربین یک حسگر است که داده تصویری مهم درباره فرآیند شما را فراهم می­کند. DVR محلی یک کنترل­ کننده منطقی قابل برنامه­ ریزی (PLC) یا واحد پایانه از راه دور (RTU) است که به طور پیوسته داده تصویری را از دوربین پردازش و ذخیره می­کند. با نرم ­افزار مدیریت تصویری مناسب، داده تصویری را می­توان در سیستم SCADA قرار داد تا اطلاعات بیشتری درباره فرآیند شما دهد و به شما اجازه دهد که تصمیمات مقرون به صرفه و کارآمد را سریع­تر اتخاذ کنید.

 

یک راه ­حل تصویری و هشداردهی عادی شامل موارد زیر است:

• دوربین ­های نواحی صنعتی و خطرناک
• مولفه­ های شبکه ­بندی، مثل دستگاه­ های بی­سیم و اترنت
• ثبت­ کنندگان ویدیو، کاربردهای پردازش و ضبط تصویری
• نرم ­افزار یکپارچه­ ساز SCADA – سرورهای OPC و مدباس TCP، و همچنین پنجره ­های ویدیوی SCADA
• نرم ­افزار مشاهده تصویری موبایل و مبتنی بر وب برای مشاهده تصویری و هشداردهی

پر کردن خلا

ویدیو در حال تبدیل شدن به نوع استانداردی از داده­ است که سیستم­های SCADA برای اطلاعات بیشتر و تصویر واضح ­تر درباره آنچه در حوزه رخ می­دهد استفاده می­کنند. اگر کمی آینده ­نگر باشیم، سیستم ­های مدیریت تصویری پیشرفته ­تر با قابلیت­های زیر وارد سیستم کنترل خواهند شد:

• برقراری ارتباط مستقیم با PLC/RTU خود در حوزه. دستگاه ثبت تصویری به طور مستقیم به دوربین­ ها در حوزه متصل است، دائما داده ­های تصویری را ذخیره و پردازش می­کند. یک سرور مدباس TCP یکپارچه در ثبت تصویری، سطحی دو جهته را با دستگاه­های PLC/RTU از راه دور ایجاد می­کند. سرور مدباس TCP می­تواند هشدارهای آغازشده با دوربین را مستقیما به PLC/RTU ارسال کند و اجازه دهد که هشداردهی تصویری به طور مستقیم وارد سیستم کنترل شود. این مساله در واقع به دوربین اجازه می­دهد که در نقش حسگر عمل کند. بخش مهم این است که یکپارچگی در لبه ­ای ایجاد شده است که در آن حسگرها و کنترل سایت از راه دور شما باید انجام شوند. علاوه بر آن سرور مدباس TCP ثبت ­کننده تصویری می­تواند سیگنال­های دریافتی از PLC/RTU از راه دور را بپذیرد و فعالیت­هایی مثل موارد زیر انجام دهد:
• آغاز/ توقف ضبط ویدیو
• فعال­سازی/ غیرفعال­سازی سیستم
• حرکت دادن دوربین به مکانی خاص
• ایجاد ضبط ویدیوها حول رویداد

این مساله اجازه کنترل کامل سیستم­ها و دوربین­های ویدیویی از راه دور توسط سیستم SCADA را می­دهد.

• از شبکه کنونی خود استفاده کنید تا ویدیو را انتقال دهید. سایت­ های از راه دور معمولا از شبکه ­های رادیویی اختصاصی برای انتقال داده به اتاق کنترل استفاده می­کنند. پهنای باند شبکه می­تواند از شعاع رادیویی 9600 بر ثانیه به شعاع TCP/IP پهنای باند بالاتر متغیر باشد. یک سیستم مدیریت تصویری پیشرفته باید قادر باشد که ویدیو را در هر شبکه ­ای انتقال دهد و همچنین ویدیو را وارد پروتکل PLC کند که شما استفاده می­کنید. به عنوان مثال این سیستم باید قادر باشد ویدیو را در شبکه مدباس متوالی موجود با قرار دادن ویدیو در پروتکل مدباس منتقل سازد. در این حالت، این دستگاه ثبت تصویری درست مشابه PLC یا RTU دیگری در شبکه شما به نظر می­رسد.
• ویدیو را مستقیما در صفحات SCADA/HMI خود گردآوری کنید. بخش کاربری سیستم مدیریت ویدیو، باید مشاهده ویدیو به صورت مستقیم در صفحات اپراتور را فراهم سازد. این قابلیت باید حتی در سیستم­ هایی وجود داشته باشد که از فناوری ­های کنترل اکتیوX پشتیبانی نمی­کنند.
• هشدارهای تصویری را در هشدار موجود خود گردآوری کنید. سیستم مدیریت تصویری باید شامل سرور OPC باشد که سطح دو جهته را برای سیستم SCADA ایجاد می­کند و به شما اجازه دهد که هشدارهای سیستم تصویری را در سیستم SCADA خود قرار دهید و همچنین سیستم تصویری را از سوی SCADA کنترل کنید. همچنین سطح باید به شما اجازه دهد که دوربین­ ها را حرکت دهید، ضبط را روشن و خاموش کنید و ویدیوهای کوچکی را در همه فرمان­های OPC از سوی SCADA ایجاد کنید.
• داده پردازش ­شده را مستقیما روی تصویر ویدیو قرار دهید. سیستم مدیریت تصویر از راه دور پیشرفته باید به شما اجازه دهد که ارزش­های داده را مستقیما روی پخش ویدیویی قرار دهید که مشاهده می­کنید. این مساله به کاربران اجازه می­دهد که داده مهم و پر کاربرد را مستقیما روی تصویر ویدیو قرار دهند تا به اپراتورها اطلاعات بیشتری درباره یک مشاهده دهند.
• مرتبط ساختن رویدادهای سیستم SCADA با ویدیو. یک سیستم مدیریت تصویری از راه دور پیشرفته باید به شما اجازه دهد که به سادگی روی هشدار یا رویدادی در سیستم خود کلیک کنید و به طور خودکار ویدیویی را باز کنید که در آن زمان در آن رویدادی رخ داده است و ویدیو را با داده SCADA از پیش ثبت شده مرتبط سازید.

حفاظت از شبکه یا قطعی تجهیز

یک سیستم نظارت تصویری پیشرفته باید دائما ویدیو را در لبه ضبط کند. در لبه یعنی «جایی که دوربین ­ها هستند». همه پردازش­ ها و ذخیره ویدیو با کیفیت بالا و در زمان واقعی را می­توان به شکل رایج انجام داد که نوع PLC یا RTU شبکه را منعکس می­سازد. این طراحی سیستم متکی بر اتصال شبکه پیوسته برای ضبط ویدیو نیست. شبکه فقط زمانی استفاده می­شود که اپراتور می­خواهد یک ویدیوی زنده ببیند یا سیستم موقعیت هشدار را شناسایی می­کند و ویدیویی از رویداد ایجاد می­کند.

استفاده موثر از شبکه

در این طراحی تعریف می­کنیم که ویدیوی با کیفیت بالا در لبه ذخیره می­شود. با این حال ویدیویی که دارای کیفیت کمتر و چارچوب سطح پایین ­تر است را باید بتوان در شبکه مورد نظر منتقل کرد. این مساله به شما اجازه می­دهد که ویدیوی مناسب وضعیت خود را ایجاد کنید و همه ویدیوهای با کیفیت ضبط می­شوند و در منبع ذخیره محلی ذخیره می­شوند. به همراه مدیریت پهنای باند، سیستم مدیریت تصویری پیشرفته باید از شبکه کنترل موجود شما بدون مداخله با داده پردازش مهم استفاده کند. روش­های موجود در چنین سیستمی باید از این مساله جلوگیری کنند که داده ویدیویی جلوی پیام ­های سیستم کنترل را نگیرند. این مساله به صورت موثر به عنوان نوعی کیفیت خدمات (QoS) در سیستم کنترل عمل می­کند و اطمینان می­یابد که مهم­ترین انتقال­ های داده ابتدا اولویت­بندی میشوند

یکپارچه­ سازی اتاق کنترل

در اتاق کنترل مرکزی، مولفه مرکز کنترل تصویری نرم ­افزار مدیریت نصب شده است. مرکز کنترل تصویری به عنوان درگاهی برای مشاهده و اشتراک­ گذاری تصویر و هشداردهی با سیستم­ های دیگر عمل می­کند. باید از فناوری­ های OPC و مدباس TCP استفاده کند تا هشدارهای تصویری را به اشتراک بگذارد و هشدارها را مستقیما درون سیستم هشدار SCADA/HMI قرار دهد. پنجره ­های ویدیو باید به همراه هشدارها در صفحات اپراتور قرار داده شوند و اجازه بازبینی ویدیو در همان سیستمی را بدهند که برای کنترل و اتوماسیون استفاده می­کنند.

یک سیستم مدیریت تصویر پیشرفته به شما این قابلیت را هم می­دهد که دارایی­ های خود را از راه دور به صورت زنده ببنید یا به عقب به هر نقطه­ ای بازگردید تا ببینید چه اتفاقی افتاده است. این مساله به شما اجازه می­دهد که مشکلات را به طور موثر و کارآمد حل کنید و بازدیدهای مکرر سایت و نیروی انسانی مورد نیاز را کاهش دهید. با استفاده از دوربین به عنوان حسگر، سیستم ویدیویی اطلاعات آماده برای مصرف را ارائه می­کند و عکس ­العمل سریعی نسبت به هشدارها و رویدادها فراهم می­کند.

آنچه در ادامه آمده است نمونه ­هایی از این مساله است که چگونه سیستم مدیریت ویدیویی پیشرفته اجرا شده است تا مشکلات نظارت از راه دور خاص را حل کند.

مطالعه موردی 1: ایمن­ سازی و نظارت بر لوله نفت خام

در ژانویه 2011، سازمان ایمنی مواد خطرناک و لوله (PHMSA) شرطی برای شورون ( Chevron) فراهم کرد تا سایت­ های دریچه از راه دور آنها را برای نشتی لوله ایمن سازد و بر آن نظارت کند. PHMSA یک سازمان نمایندگی حمل و نقل U.S. است که مقرراتی را برای عملکرد ایمن، قابل اعتماد، سالم از نظر زیست­ محیطی برای سیستم انتقال لوله 2.6 میلیون مایلی دولت و نزدیک به یک میلیون انتقال مواد خطرناک روزانه از طریق زمین، دریا، و هوا توسعه می­دهد و اجرا می­کند. نشتی ­های لوله می­توانند دارای هزینه زیادی از نظر تلاش براساس تولید و نظافت باشند و علاوه بر آن تاثیر زیست ­محیطی هم وجود دارد.

شورون شروع به ایجاد گزینه­ هایی برای امنیت، نظارت و شناسایی نشتی کرد. بررسی اولیه آنها شامل فناوری­ هایی در محدوده نظارت انسانی 24 ساعته برای ردیاب­ های ایزوتوپ رادیواکتیو برای شناسایی نشتی است. بعد از ارزیابی آنها نوعی نظارت ویدیویی از راه دور ایجاد کردند که شامل نرم­ افزار مدیریت ویدیویی و حسگر گرمایی برای محوطه خطر جدید بود.

شورون از مدیریت ویدیویی جدیدی استفاده کرد که شامل مولفه ­های سیستم زیر است:

• اتاق کنترل: نرم­افزار مرکز کنترل تصویری برای گردآوری ویدیوها در صفحات SCADA/HMI اپراتور.
• سایت از راه دور: دستگاه DVR از راه دور برای ضبط در محل، هشداردهی و ارتباط مستقیم با PLC.
• دوربین­ها:
• دوربین تصویربرداری گرمایی برای شناسایی نشتی لوله
• دوربین زوم پن تیلت( Pan-tilt-zoom) برای نظارت کلی سایت

نوع جدید حسگر

استفاده از تصویر گرمایی برای شناسایی نشتی ­های هیدروکربن و چکه­ ها است. دوربین برای شناسایی نشتی 24 ساعته مداوم در مکان­هایی بهینه­ سازی شده است که در آن لوله ­ها بالای سطح زمین هستند. از دوربین استفاده شده است تا موارد غیرعادی گرما شناسایی شود که نشان می­دهند چه زمانی مایع یا نشتی­ های گاز در فشار بالا رخ می­دهند. سیستم، شناسایی چکه را در محدوده کاملی از وضعیت­ های دما فراهم می­کند.

تایید هوشمندانه­تر و سریعتر هشدار

وقتی دوربین گرمایشی، نشتی را حس می­کند بلافاصله به PLC در سایت راه دور از طریق مدباس TCP هشدار می­دهد. سپس PLC پیام هشدار اولویت ­بندی­ شده را به مرکز کنترل می­فرستد. موتور لانگ­واچ(Longwatch) به طور همزمان یک ویدیوی ده ثانیه­ ای را از محل نشتی ضبط می­کند. این بخش از ویدیو در شبکه کنترل برای اتاق فرمان اپراتور فرستاده می­شود. اپراتور اکنون قادر است اطلاعات بیشتری درباره رویداد به شکل ویدیو داشته باشد. این مساله اجازه تصمیم­ گیری هوشمندانه ­تر و سریعتر را می­دهد و به اپراتور اطلاعات مورد نیاز برای پاسخ­ دهی به رویداد به شکل مناسب را می­دهد.

مطالعه موردی 2: اطلاعات سیستم کنترل پردازش بیشتر در دستان شما

کنسول انرژی یک تولیدکننده ذغال و گاز طبیعی در پیتسبورگ( Pittsburgh) است که یکی از بزرگترین شرکت­های انرژی در U.S. است. به دلیل عملکردهای متعدد آنها، دارای شبکه سیستم کنترل توزیع ­یافته گسترده ­ای هستند. چندین شاخه SCADA/HMI از راه دور همگی به مرکز کنترل اصلی در کلی­پول هیلز، ویرجینیا متصل هستند. آنها مشکلی با نقاط کور داشتند (یعنی نواحی که به آن دید نداشتند). این مساله شامل صفحات HMI اپراتور در تعدادی از ایستگاه­های از راه دور آنها بود. مشکلات مرتبط با SCADA/HMI متعدد نیاز به زمان زیادی برای پشتیبانی از این عملکردهای از راه دور از طریق تلفن یا بازدیدهای متعدد از محل برای این محل­های بسیار دور داشتند. زمان و نیروی انسانی مورد نیاز برای پشتیبانی از این نوع نرم­افزار از راه دور قابل توجه بود.

یکی از چنین سایت­ هایی تجهیز پردازش در ویرجینیای غربی بود. کل سیستم پردازش از راه دور توسط کارکنان مدیریت می­شد. داده از محل راه دور به مرکز کنترل اصلی در ویرجینیا ارسال می­شد اما اطلاعات کافی فراهم نمی­کرد تا بتوان به درستی مشکلات را حل کرد و ریشه اصلی مشکلات را یافت.

تایید بصری فعالیت اپراتور

کنسول انرژی تصمیم گرفت سیستم مدیریت تصویری را اجرا کند که شامل قابلیت ثبت در اتاق­های فرمان اپراتور بود. ثبت­ کننده اتاق فرمان نرم ­افزاری است که ثبت اتوماتیک صفحه نمایش کنسول اپراتور HMI یا SCADA را ممکن می­سازد. با این ابزار، لانگ­واچ دقیقا آنچه اپراتور می­بیند را ذخیره می­کند زیرا ویدیویی را ضبط می­کند که برای نمایش برای رفع مشکل، آموزش و بهبود فرآیند ارسال شده است.

نرم ­افزار ضبط­ کننده دسترسی به ویدیوی ضبط­ شده و زنده در صفحات نمایش اپراتور را فراهم می­سازد. به این شکل، اتاق کنترل در ویرجینیا می­تواند دقیقا به آنچه صفحات نمایش اپراتور از راه دور نشان می­دهند در هر لحظه ­ای از زمان دسترسی داشته باشد. مدیران می­توانند صفحات نمایش اپراتور خود را زنده ببینند یا به عقب باز گردند تا ببینند آن صفحه در گذشته به چه شکل بوده است.

باید به اتاق فرمان اپراتور به عنوان یک دارایی نگریسته شود، درست مثل بخشی از تجهیز یا بخشی از فرآیندتان. کنسول انرژی اکنون قادر است مشکلات را در زمان واقعی حل کند یا دریابد که چرا اپراتور هشداری نداده است. آیا به دلیل خطا در اپراتور بوده است یا به دلیل عملکرد نادرست صفحه نمایش HMI است؟

مدیریت اضطراری از راه دور

بعد از موفقیت در روش ثبت توسط اتاق فرمان، کنسول انرژی تصمیم گرفت که نظارت بصری دارایی­ های از راه دور خود را اضافه کند. در همان دستگاهی که اتاق­های فرمان اپراتور ضبط می­کنند، دوربین­های کلاس 1 بخش 2 قرار داده شدند تا نواحی بحرانی، و خطرناک در فرآیند تولید را نظارت کنند. وقتی موقعیت ­های اضطراری رخ می­دهند، نیاز به تعیین این مساله است که کارکنان سایت در کجا هستند و همچنین مشخص شود که کدام بخش از دستگاه تحت تاثیر قرار گرفته است. دوربین ­های زوم پن تیلت کلاس 1 بخش2 «چشم­ های» از راه دور را فراهم ساختند که برای ارزیابی دقیق موقعیت مورد نیاز بود.

کنسول انرژی اکنون دارای دید کامل برای دستگاه­های از راه دور خود است. سیستم مدیریت ویدیویی پیشرفته استفاده ­شده، ویدیو را از صفحات نمایش اپراتور به همراه ویدیویی از دوربین ­های نواحی خطرناک فراهم می­سازد که می­توان آن را در هر جایی در شبکه آنها دید.

به طور خلاصه

فناوری­ های نرم ­­افزاری و سخت ­افزاری اکنون در دسترس هستند تا بتوان راه ­حلی برای نظارت ویدیویی از راه دور جامع فراهم کرد. فناوری­ های نرم ­افزاری مدیریت ویدیویی پیشرفته اکنون خدمات زیر را فراهم می­کنند:

• یکپارچه ­سازی ویدیوی زنده در صفحات نمایش SCADA و HMI اپراتور
• ارتباط بین ویدیوهای ذخیره­شده با داده SCADA تاریخی و مبتنی بر رویداد
• ضبط با کیفیت بالا در محل حتی زمانی که ارتباط از راه دور از دست رفته است.
• ثبت توسط اتاق فرمان اپراتور برای برقراری ارتباط با ویدیوهای ذخیره ­شده دیگر برای بررسی رویداد یا تعلیم اپراتور
• انتقال ویدیوهای زنده به اتاق کنترل مرکزی در ارتباطات پهنای باند کم یا پهنای باند محدود، از جمله پروتکل­های بسیار قوی مثل مدباس.

نرم ­افزاری که در بالا شرح داده شد به شما اجازه می­دهد که دوربین را مثل حسگری دیگر ببینید و اطلاعات بیشتری نسبت به فقط چند نقطه داده ارسال کنید. وسایل به همراه فناوری­های دوربین صنعتی پیشرفته که اکنون در دسترس هستند راه ­حل ­های قدرتمندتری برای نظارت از راه دور فراهم می­سازند که ایمنی کارکنان، ایمنی محل، و سودمندی فرآیند را تقویت می­کنند.