سیستم اسکادا SCADA چیست و چه کاربردی دارد؟ راهنمای جامع

اسکادا چیست؟

سیستمی را در نظر بگیرید که قرار است در یک منطقه یا فضای صنعتی، کلیه فرآیندهای صنعتی را در همان مکان و یا از راه دور کنترل کند. این سیستم میخواهد کلیه داده های سنسورها، ولوها، محرکها و تجهیزات صنعتی را به شکل Real-Time (بلادرنگ) جمع آوری کرده، آنها را مانیتور نموده (مانیتورینگ صنعتی) و بر اساس پارامترهای تعریف شده در خود، تصمیمات خاصی را برای کنترل صحیح کلیه بخشها بگیرد. چنین سیستمی به عنوان سیستم اسکادا (SCADA) شناخته می شود.

SCADA در لاتین مخفف Supervisory Control And Data Acquisition است که می توان آن را در فارسی معادل “سامانه نظارت، کنترل و جمع آوری داده ها” ترجمه کرد.

یک سیستم اسکادا مجموعه ای از بخشهای سخت افزاری و نرم افزاری است که امکان نظارت و کنترل یک سری فرآیندها و اقدامات صنعتی را در اختیار ما میگذارد. همانطور که اشاره کردیم:

نرم افزار HMI یا واسط ماشین و انسان، در سیستم اسکادا وظیفه دارد تا تعامل با دستگاههای میدانی همچون پمپها، ولوها، موتورها، سنسورها و … را ساده تر کند.

سیستم اسکادا یک ویژگی مهم دیگر نیز در بخش نرم افزاری خود دارد و آن نیز، توانایی ثبت دقیق داده ها به منظور نگهداری در تاریخچه داده ها و امکان رجوع آینده در صورت وقوع مشکلات است.

دو جزء جدانشدنی سیستم های اسکادا PLCها و RTUها هستند. این دو بخش، به نوعی پردازشگرهایی هستند که با دیوایس های میدانی نظیر پمپها، شیرها و HMIها ارتباط برقرار میکنند.

داده‌های ارتباطی از این پردازشگرها، به سمت کامپیوترهای SCADA مسیریابی و سوق داده میشوند. در این کامپیوترها، نرم افزار SCADA وقایع را مدیریت کرده و داده ها را به اپراتور نمایش می دهد تا او بتواند وقایع مختلف را به دقت تحلیل کرده و اقدامات مناسب را انجام دهد.

قبل از پیدایش اسکادا، پرسنل کارخانه ها مجبور بودند تا فرآیندهای صنعتی را شخصاً رصد و کنترل کنند. این کار از طریق سوویچها، پوش باتن‌ها و عقربه‌ها برای مانیتور سیگنال‌های آنالوگ انجام میشد.

این بدین معنا بود که کارخانجات بایستی حضور پرسنل را در طی فرآیندهای مهم تولیدی و صنعتی خود، اجباری می کردند.

اما با گسترش و رشد تولید و تکنولوژی، رله ها و تایمرها پا به عرصه گذاشتند تا به نظارت و کنترل فرآیندها کمک بیشتری کنند. و مزیت بزرگ این تغییر این بود که نسبت به گذشته پرسنل کمتری نیاز به حضور اجباری در آن مکان صنعتی به منظور رصد و کنترل عملکردها داشتند.

درحالیکه رله‌ها و تایمرها برخی از فرآیندهای اتوماسیون را محقق کردند، اما پنل‌های مورد نیاز این سیستم به ارزش بالاتری نیاز داشت. در این شرایط عیب‌یابی به کابوسی بدل شده بود و پیکربندی مجدد سیستم در بهترین حالت نیز سخت بود. ‫این مشکلات در کنارِ نیاز به رشد کارخانه‌های بزرگتر صنعتی، ‫کمک کردند تا اتوماسیون صنعتی به شکل ویژه‌ای ظهور پیدا کند و اسکادا طرح ریزی شود.

تاریخچه سیستم SCADA

– دهه 1950 میلادی

کنترل کارخانه‌های صنعتی از طریق پردازنده‌ها، عملاً در دهه 1950 به واقعیت تبدیل شد. نفت و گاز، صنایع تولیدی و کاربردی، بیشترین سهم را در استفاده از این تکنولوژی‌های جدید بردند.

– دهه 1960 میلادی

حدود یک دهه بعد تله متری به صحنه آمد تا قابلیت‌های کنترل از راه دور بیشتری را به وسیله ارتباطات خودکار شده و انتقال داده به منظور کنترل از راه دور مکان‌ها، عرضه کند.

– دهه 1970 میلادی

‫یک دهه بعدتر اصطلاح اسکادا به همراه ریزپردازنده‌ها و PLCها به کار ‌رفت که برای کنترل و نظارت بر فرآیندهای خودکار شده و در مقیاس‌های بزرگتر پیش از خود، استفاده ‌شدند.

‫اسکادا تا قبل از آن هم وجود داشته اما عملیاتی نبوده است! آن زمان و در آن ساز و کار ماشین‌آلات عظیم و کامپیوترهای واقعاً سریعی بودند و ‫از آنجایی که شبکه‌ها به شکل کنونی رواج نداشتند، واحدهایی مستقل به شمار می‌رفتند.

– دهه 1990 میلادی

‫در دو دهه بعد، دهه‌های 80 و 90، با کوچکتر شدن ‫سیستم‌های کامپیوتری، ظهور  شبکه‌های محلی یا LAN ‫و نرم‌افزارهای HMI، سیستم‌های اسکادا قادر شدند تا به سیستم‌های مرتبط متصل شوند.

‫اما متاسفانه ارتباطات دستگاهها در آن زمان به شکل اختصاصی بودند، ‫به این معنی که برقراری ارتباط به جز با سیستم‌های تعریف شده مجاز نبود.

 – دهه 1990 تا 2000 میلادی

بعدتر در دهه‌های 1990 و 2000، اسکادا به وسیله پروتکل‌های ارتباطی که به فروشنده خاصی اختصاص نداشتند، شروع به پیاده‌سازی معماری باز کرد. همانطور که می‌توانید تصور کنید این توانایی به ماهیت سیستم اسکادا اجازه داد تا با محصولات شرکتهای مختلف ارتباط برقرار کند و این یک مزیت فوق العاده برای اسکادا بود!

اما اسکادای جدید و بهبود یافته متاسفانه زیاد دوام نیاورد!! اما چرا؟!

‫همزمان با توسعه تکنولوژی اسکادا، در حوزه IT نیز با رشد سریع تکنولوژی کامپیوتری، توان توسعه IT به سرعت افزایش یافت؛ ‫پایگاه داده‌های پیش‌فرضِ آن زمان و مورد استفاده در IT تبدیل به زبان ‫برنامه نویسی Structured Query و پایگاه‌های داده SQL شد. اما توسعه دهندگان اسکادا از این پایگاه‌های داده استاندارد استفاده نکردند.

‫به همین دلیل اسکادا هنگامی که دیگر تکنولوژی‌ها داشتند با سرعت متحول می‌شدند، ‫ خیلی زود از رده خارج شد…

سیستمهای SCADA در عصر کنونی

جالب است بدانید سیستم‌های اسکادای امروزی، به خوبی با تکنولوژی‌های در حال تغییر تطبیق یافته‌اند؛ و مزیت بیشتری نسبت به سیستم‌های قدیمی‌تر اسکادا پیدا کرده‌اند.

اپراتور با در اختیار داشتن این داده‌ها عملیات بهبود یافته کارخانه را تسهیل می‌کند؛ و عملاً امکان پاسخگویی به صف‌های پردازشی و کنترلی عملیات سیستم اسکادا بر اساس داده‌های جمع‌آوری شده در محیط صنعتی و تجزیه و تحلیل سیستم را فراهم می‌کند. این تعاملات اپراتور می‌تواند از طریق یک کامپیوتر در صنعت یا ساختمان یک دفتر در هر جای جهان صورت پذیرد.

‫تکنولوژی‌های پیشرفته در واقع باعث شده است که جهان به طور نسبی مکانی بسیار کوچک به نظر برسد! ‫و از آنجا که نرم‌افزار کنونی سیستم اسکادا معمولا از ساختار ‫مدل پایگاه داده SQL استفاده می‌کند، مجموعه تاریخچه‌ای از داده‌ها ممکن است ثبت شده و در برنامه های کاربردی مورد نیاز برای بهبود بیشتر فرآیندهای کارخانه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این موضوع برای نگهداری سوابق اجباری در برخی از صنایع موجود استفاده می‌شود.

سیستم های اسکادا چطور کار میکنند؟

به طور خلاصه، اسکادا مجموعه‌ای از قطعات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری است. ‫این مجموعه از اجزاء با داده‌های Real-Time و بلادرنگِ جمع‌آوری شده از دستگاه‌های واقع در کارخانه یا صنعت همچون پمپ‌ها، ولوها و ترنسمیترها شروع به کار می‌کنند.

نیازی نیست این اجزا از فروشنده خاصی خریداری شوند و تنها نیاز است تا یک پروتکل ارتباطی داشته باشند که پردازنده بتواند از آن استفاده کند؛ ‫سپس داده‌های جمع‌آوری شده از دستگاه‌های میدانی ‫به پردازنده‌هایی مانند PLC ارسال می‌شود.

داده‌ها از پردازنده، به سیستمی از دستگاه‌های شبکه توزیع می‌شود. ‫این دستگاه‌ها ممکن است HMI، کامپیوترهای کاربر نهایی و سرورها باشند. ‫در HMI و کامپیوتر کاربر نهایی، امکان نمایش گرافیکی عملیات به منظور تعاملات اپراتور و کارهایی نظیر روشن کردن پمپ‌ها و باز کردن ولوها وجود دارد. این داده‌ها همچنین ممکن است برای تجزیه-تحلیل و افزایش تولید کارخانه و عیب‌یابی مشکلات استفاده شوند.

اجزای سیستم اسکادا SCADA

چنانچه قصد پیاده‌سازی یک سیستم اسکادا را دارید، باید چهار مولفه اصلی که در هر سیستم اسکادا ارائه می‌شود را شناخته و درک کنید. سیستم اسکادای شما ممکن است متناسب با نیازهای شما پیاده‌سازی شود، اما به اجزای زیر نیاز خواهد داشت:

 1- ابزار دقیق‌های میدانی (سنسورها و عملگرها)

ابزار دقیق میدانی به سنسورها و عملگرهایی گفته می‌شود که مستقیما در کارخانه وجود داشته و به تجهیزات متصل می‌شوند. آنها سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتالی تولید می‌کنند که توسط ایستگاه کنترل از راه دور نظارت می‌شوند.

البته سیگنال‌ها نیز برای اطمینان از سازگاری آنها با ورودی/خروجی RTU یا PLC تطبیق داده می‌شوند (سیگنال کاندیشنینگ). ایستگاه‌های ریموت در کارخانه‌ها یا برای تجهیزاتی نصب می‌شوند که توسط یک کامپیوتر میزبان مرکزی نظارت و کنترل می‌شوند.

به عبارت دیگر، رله‌های ورودی (دیجیتال یا آنالوگ) و خروجی یا سیگنال‌های الکتریکی که مستقیما با عناصر مدیریت شده در سایت‌های راه دور ارتباط برقرار می‌کنند، نقطه شروع عملیات اسکادا هستند.

این سنسورها و رله‌های کنترلی عملیات جمع‌آوری داده را انجام می‌دهند اما نمی‌توانند پروتکل‌های ارتباطی را به تنهایی تفسیر نمایند؛ سیستم اسکادا هنوز هم، به روش مناسبی برای جمع‌آوری این داده‌ها و گزارش آنها به شما نیاز دارد. این کار توسط واحدهای پایانه کنترل از راه دور (RTU) انجام می‌شود.

2- واحدها یا ایستگاههای کنترلی ریموت (شامل RTU یا PLC)

ابزار دقیق‌های میدانی به کارخانه یا تجهیزات تحت نظارت و کنترلی متصل هستند که برای انجام پردازش‌ها در ایستگاه‌های راه دور به آنها متصل شده‌اند. این ابزار برای جمع‌آوری داده از تجهیزات و انتقال آنها به سیستم اسکادا مرکزی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک ایستگاه ریموتِ خوب ممکن است یک RTU یا PLC باشد؛ یا می‌تواند یک برد یا سیستم ماژولار باشد.

معمولا دو نوع ایستگاه ریموت، با عنوان بردهای تکی و واحدهای ماژولار در دسترس هستند. بردهای تکی، چند رابط ورودی/خروجی ثابت ارائه می‌دهند. این بردها ارزان‌تر هستند اما ارتقا آنها برای سیستم‌های پیچیده‌تر آسان نیست.

واحد ماژولار، نوعی ایستگاه از راه دورِ قابل توسعه بوده که نسبت به برد تکی گران‌تر است. این واحدها معمولا برای اتصال ماژول‌ها به کار می‌روند. هر ماژول ورودی/خروجی یا ارتباطی مورد نیاز برای توسعه در آینده را به راحتی‌ می‌توان نصب نمود.

3- سیستم نظارت مرکزی (CMS) 

سیستم نظارت مرکزی، واحد اصلی و قلب سیستم اسکادا است. این سیستم مسئول جمع‌آوری اطلاعات ثبت شده در ایستگاه راه دور و انجام عملیات لازم برای هر رویداد شناسایی شده است. سیستم CMS می‌تواند شامل یک کامپیوتر یا شبکه‌ای برای ایستگاه‌های کاری باشد که امکان اشتراک‌گذاری اطلاعات از یک سیستم اسکادا را فراهم می‌آورد. پاره‌ای از اوقات به جای سیستم نظارت مرکزی عبارت HMI SCADA استفاده می‌شود که معمولا منظور نرم افزار اسکادا است که ویژگی‌های HMI را هم دارد.

گاهی اوقات واژه ایستگاه نظارت مرکزی (CMS) نیز به این بخش اطلاق می‌شود که منظور مکان کامپیوتر اصلی یا میزبان است. در صورت نیاز، برخی از ایستگاه‌های کاری را می‌توان بر روی CMS پیکربندی نمود.

در عمل یک نرم افزار HMI بر روی کامپیوترهای CMS اجرا می‌شود. نقشه کل کارخانه یا یک فرآیند را می‌توان برای تطبیق راحت‌تر با یک سیستم واقعی بر روی نمایشگر نشان داد.

نرم‌افزار اسکادا HMI به سیستم CMS این امکان را می‌دهد تا داده‌ها را پردازش و نظارت شده و امکان کنترل و مدیریت سیستم برای اپراتور انسانی فراهم شود. رابط HMI، اطلاعات جمع‌آوری شده از چندین واحد کنترلی ریموت را در اختیار اپراتور قرار می‌دهد. این اطلاعات بر روی رابط کاربری واحد اصلی نمایش داده می‌شوند و باید قابل درک و اجرا باشند، زیرا معمولا نیاز است که در مقابل آلارم‌های سیستم، اقدامات سریع انجام شود. بهترین نرم‌افزار اسکادا HMI، داده‌ها را به صورت نمایش گرافیکی بصری مبتنی بر نقشه‌ها  ارائه می‌دهد.

در سیستم نظارت مرکزی، هر نقطه ورودی/خروجی واحد راه دور را می‌توان با نمایش گرافیکی مناسب و تفسیر داده‌های ورودی/خروجی نمایش داد.

4- شبکه و زیرساخت ارتباطی

در ساختار سیستم SCADA، زیرساختی مورد نیاز است که امکان اتصال همه بخشهای اشاره شده تاکنون به یکدیگر را فراهم کند.

شبکه ارتباطی به تجهیزات ارتباطی اشاره دارد که برای انتقال داده از/به مکان‌های مختلف مورد نیاز هستند. رسانه مورد استفاده می‌تواند کابل، تلفن یا سیگنالهای رادیویی باشد. نوع کابلیِ شبکه معمولا درون کارخانه و محیط صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه یکی از رایج ترین پروتکلهای ارتباطی، اترنت Ethernet است.

خطوط تلفن، تجهیزات ارزانی برای سیستم‌های با پوشش منطقه‌ای وسیع هستند. این خطوط برای سیستم‌های آنلاین که نیازمند ارتباط با ایستگاه راه دور هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این روش کمی هزینه‌‎ها را افزایش می‌دهد، چون برای هر مکان به یک خط تلفن نیاز است.

چهار عملکرد اصلی سیستم اسکادا (SCADA)

سیستم‌های اسکادا دارای عملکردهای مختلفی هستند که امکان اداره مناسب تجهیزات از راه دور را فراهم می‌آورند. در ادامه، قابلیت‌های اصلی یک سیستم  اسکادا ذکر شده است.

جمع‌آوری داده

جمع‌آوری داده در یک سیستم اسکادا اغلب شامل نوعی عملیات تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است. دما به درجه سانتیگراد تبدیل می‌شود. تبدیل توان سیگنال به دسی‌بل میلی‌وات (dBm) انجام می‌شود؛ کیفیت یک کانال با تعداد خطای سیگنال در ثانیه اندازه‌گیری می‌گردد.

تبادل داده از طریق شبکه

داده‌های جمع‌آوری شده در پاسخ به درخواست داده یا به دلیل دیگری، به سیستم سطح بالاتری منتقل می‌شود. کانال ارتباطی می‌تواند آنالوگ یا دیجیتال (مانند RS485, TCP/IP) باشد. توپولوژی شبکه اسکادا نیز معمولا شامل نوعی اعتبارسنجی انتقال داده، مستقل از هر نوع اعتبارسنجی محتوا است.

ارائه داده

داده‌های جمع‌آوری شده، پردازش و سازماندهی می‌شوند؛ سپس، برای اپراتورهای سیستم ارائه می‌شوند تا آنها واکنش مناسب نشان داده یا تصمیم‌های کنترلی را اتخاذ کنند. ارائه داده‌ها می‌تواند در قالب‌های متفاوتی انجام شود. برای مثال، به صورت جدولی از رویدادهای ثبت‌ شده ارائه می‌شوند؛ یا به جای نقشه و پس‌زمینه‌های تصویری، از ارائه گرافیکی بهره می‌برند.

کنترل

اگر تصمیمات کنترلی قابل قبول بوده و سیستم از خروجی‌ها پشتیبانی کند، برای تاثیر بر روی تغییرات پیکربندی یا عملیاتی خاص، می‌توان دستورات مناسبی ارسال نمود. اغلب عملیات کنترلی توسط ایستگاههای ریموت شامل واحدهای پایانه کنترل از راه دور (RTU) یا کنترل کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) انجام می‌شوند.

کاربردهای سیستم های اسکادا 

سیستم های SCADA به طور گسترده در صنایع و موارد زیر استفاده می شوند:

تفاوت اسکادا و DCS

کنترل و نظارت دستی بر کلیه فعالیت های صنعتی غیر ممکن است و لذا برخی ابزار های اتوماسیون صنعتی که توانایی کنترل، نظارت، جمع آوری داده و تولید گزارش را دارند مورد نیاز هستند. یکی از راهکار های منحصر به فرد که می تواند پاسخگوی تمامی این نیاز ها باشید سیستم کنترل نظارتی اسکادا (SCADA) است.

اسکادا را می توانع یک سامانه کنترل صنعتی دانست که در آن یک سیستم رایانه ای کار نظارت و کنترل فرآیند های صنعتی را انجام می دهد.

مفهوم دیگر در این زمینه Distributed Control System یا سیستم کنترل توزیع شده (DCS) است. به طور معمول تمایز میان مفاهیم عبارت های SCADA و DCS با اشتباهاتی همراه است.

DCS فرآیندگرا و مبتنی بر فرآیندهاست، در حالی که SCADA بر مبنای جمع آوری داده ها کار می کند. DCS معمولاً برای بکارگیری در یک منطقه مشخص استفاده می شود، در حالی که SCADA برای کاربردهایی که در یک مکان جغرافیایی گسترده تر پخش شده اند ترجیح داده می شود.

سوالات متداول SCADA