در این مقاله قصد داریم بدانیم سیستم اسکادا چیست؟ فناوری اسکادا SCADA، اتوماسیون صنعتی اسکادا، دریافت اطلاعات از یک یا چندین سیستم در مسافتی بسیار دور و یا ارسال دستورات کنترلی محدود به همان سیستم ها جهت استفاده اپراتور را امکان پذیر می کند. در سیستم اسکادا (SCADA)، نیازی به حضور در نقاط دور یا بررسی دوره ای اپراتور در مواقعی که تجهیزات دور به صورت صحیح کار می کنند؛ نیست.
سیستم اسکادا (SCADA System) در اتوماسیون صنعتی، کاربرد فراوانی دارد. SCADA یک سَرنام (Scada مخفف چیست) است که از حروف اول اصطلاح “Supervisory Control and Data Acquisition” مشتق شده و به معنی “جمع آوری داده و کنترل سوپروایزری” می باشد. گرچه این اصطلاح، به کلمه عامل فاصله که در بیش تر سیستم های اسکادا (SCADA) متداول است اشاره نکرده است اما SCADA، سرنام مناسبی است.
یک سیستم SCADA روی کنترل کننده ها در فرایندهای نقاط دور، همانند باز و بسته کردن شیرها و نمایش اعلان های خطر، تغییر ایجاد می کند و هم چنین جمع آوری اطلاعات اندازه گیری در یک نقطه مرکزی نسبت به یک فرایند توزیع شده و وسیع مانند میدان گازی یا نفتی، سیستم خطوط لوله و یا نیروگاه های برق – آبی توسط اپراتور را امکان پذیر می سازد.
هنگامی که ابعاد یک فرایند گسترده باشد با صدها یا هزاران کیلومتر فاصله از مبدا تا مقصد می توان ارزش حقیقی این سیستم به جهت کاهش مراجعه اپراتور برای بازدیدهای معمول را دریافت. ارزش این سیستم زمانی بسیار بالاتر می رود که تجهیزات و دستگاه ها در مسافت بسیار دوری قرار گرفته باشند و برای بازدیدهای گوناگون، به وسایل نقلیه جدی تری هم چون هلی کوپتر، نیاز باشد.
قابلیت های سیستم اسکادا (SCADA)
فناوری اسکادا (SCADA) به بهترین شکل برای فرایندهایی که در نواحی بزرگ پخش شده اند و به صورت نسبی، سیستم به نسبت ساده ای جهت کنترل و نمایش داشته و نیاز به بررسی های تکراری، منظم و سریع دارند؛ مورد استفاده قرار می گیرد.
نمونه های زیر به درک بهتری از انواع کاربرد سیستم اسکادا (SCADA) کمک می کند:
- برخی از نیروگاه های برق – آبی کوچک که در پاسخ به نیاز مصرف کننده ها روشن و خاموش می شوند به صورت معمول در مکان های به نسبت دور نصب شده و با باز و بسته کردن شیر توربین ها کنترل می شوند، این نیروگاه ها باید به صورت مداوم وارسی شوند و لازم است که با سرعت بالایی به تقاضا در شبکه برق پاسخ داده شود.
- تجهیزات تولید نفت و گاز، هم چون چاه ها، سیستم های جمع آوری، تجهیزات اندازه گیری سیال (مانند فلومتر) و پمپ ها که به صورت معمول در یک منطقه گسترده تاسیس شده اند، نیاز به جمع آوری اطلاعات به صورت منظم داشته تا بتوانند به صورت سریع به تقاضای موجود در منطقه پاسخ دهند.
- خطوط لوله برای گاز، نفت، مواد شیمیایی و آب، بخش هایی دارند که در فواصل گوناگونی از نقطه کنترل مرکزی قرار گرفته اند که می توانند با باز و بسته کردن شیرها و یا روشن و خاموش کردن پمپ ها کنترل شوند و باید توانایی پاسخ گویی سریع به شرایط خروج و یا نفوذ مواد خطرناک و حساس به محیط را داشته باشند.
- سیستم های انتقال برق ممکن است منطقه ای با مساحت هزاران کیلومتر مربع را پوشش دهند، که با باز و بسته کردن کلیدها کنترل می شوند، هم چنین باید بسیار سریع به نوسانات بار روی خطوط پاسخ دهند.
- سیستم های آبیاری در بسیاری از مواقع، می توانند صدها مترمربع را پوشش دهند، که می توانند به وسیله باز و بسته کردن فلکه های ساده کنترل شوند، هم چنین قابلیت اندازه گیری مقادیر آب جمع آوری برای مصرف کننده را نیز دارند.
نمونه های مطرح شده نشان دهنده اثر موفقیت آمیز سیستم SCADA بر روی هر یک از فرایندهایی است که روی آن نصب می شود. انواع سیستم های کنترلی که در این نمونه ها مطرح شدند ممکن است این ذهنیت نادرست را ایجاد كنند که SCADA برای سیستم های کنترل بسیار پیچیده مناسب نیست اما امروزه سیستم های پیچیده کنترل از راه دور که با سیستم SCADA امکان پذیر شده است، هم چنان با پیشرفت فناوری به رشد خود در عرصه صنعت ادامه می دهد. سیگنال هایی که از نقاط دور دریافت می شوند شامل اخطارها، نشان های وضعیت و مقادیر آنالوگ می باشند. با این وجود، محدوده وسیعی از اطلاعات می تواند به وسیله فهرستی در ظاهر محدود، سیگنال های گوناگون (مانند سیگنال دیجیتال و انالوگ) موجود در سیستم را جمع آوری کنند. به طور مشابه، سیگنال هایی که از سیستم مرکزی SCADA به نقاط دور فرستاده می شوند به طور معمول به صورت گسسته یا باینری و یا به صورت مقادیر آنالوگ مرتب می شوند. نمونه ای از تغییر بیت باینری می تواند فرمانی باشد که به منظور متوقف ساختن یک موتور صادر می شود. مثالی از مقدار آنالوگ می تواند فرمانی جهت تغییر دادن نقطه تنظیم یک کنترلر شیر به میزان 70 درصد باشد. انواع سیگنال های ساده ای مانند این مثال ها با تغییرات کنترلی زیاد می تواند عملی شود.
بیشتر بخوانید: پنجره آلارم (Alarm Annunciator) و کاربرد آن
بخش های اصلی سیستم اسکادا (SCADA)
شکل (1) اجزای اصلی یک سیستم اسکادا (SCADA) را نشان می‌دهد. در مرکز، اپراتور قرار دارد که به وسیله دستگاهی به نام واسطه اپراتور، که گاهی اوقات “میز فرمان اپراتور” نیز خوانده می‌شود، به سیستم اصلی دسترسی دارد. میز فرمان برای اپراتور به عنوان یک پنجره به درون فرایند عمل می کند. اطلاعات فرایند مانند وضعیت سنسور دیجیتال و آنالوگ به صورت ویدئویی (VDU) و بی وقفه (Real-Time) نمایش داده می‌شود، یک صفحه کلید نیز جهت وارد کردن و ارسال دستورات یا پیام اپراتور به فرایند وجود دارد. دیگر وسایل تثبیت کننده مکان نمایی هم چون TrackBall، Mouse و یا Touch Screen نیز ممکن است در میز فرمان مورد استفاده قرار بگیرد. اگر سیستم پیچیده نباشد، ممکن است وجود یک مجموعه پنجره اعلام کننده که شرایط فرایند را از نقاط دور نمایش دهند، کافی باشد. بیش تر آن ها نیز سیگنالی قابل شنیدن به میز فرمان، ارسال می‌کنند. به صورت معمول، از تجهیزات ورودی اپراتور به سیستم، یک صفحه کلید کامپیوتری است. اگرچه وسایل تثبیت کننده مکان نما از جمله TrackBall ها و Mouse ها برای به کار‌گیری در سیستم بسیار متداول شده‌اند. اما برای سیستم‌های نه چندان پیچیده یک مجموعه از کلیدهای الکتریکی ساده نیز ممکن است کــافی باشد. اپراتور با واحــد پایانه ای مرکزی (MTU) که کنترلر سیستم می‌باشد، در ارتباط است. بعضی از صنایع به جای استفاده از (MTU)، اصطلاح “کامپیوتر میزبان” (Host Computer) را به کار می‌برند. در سراسر چنین پروژه‌هایی می‌توان از هر دو اصطلاح که هر یک با دیگری قابل جا به جایی هستند؛ استفاده کرد.
MTU در سیستم‌های مدرن SCADA، همیشه بر پایه یک کامپیوتر قرار می‌گیرد و می‌تواند کل سیستم فرایندی را حتی زمانی که اپراتور حاضر نباشد نمایش داده و کنترل نماید. این کار را توسط نرم افزاری روی آن نصب شده انجام می‌دهد که می‌تواند برای تکرار دستورات در فواصل منظم برنامه ریزی شود و عمل مورد نظر را انجام دهد. به عنوان مثال، ممکن است سیستم جهت درخواست Update از هر یک از ترمینال های راه دور (RTU) در هر شش دقیقه برنامه ریزی شود. MTU ها باید با RTU ها که دور از محل مرکزی قرار گرفته اند ارتباط داشته باشند. یک سیستم SCADA ممکن است چندین RTU، از یک ترمینال تا چند صد هزار ترمینال، داشته باشد.
از ویژگی‌های متمایز کننده سیستم‌های SCADA، میل به سادگی در فرایندهای آن است. به این دلیل، حجم اطلاعاتی که در سیستم SCADA جا به جا می‌شوند، اندک می‌باشد و به همین علت سرعت انتقال اطلاعاتی که مودم با آن کار می‌کند نیز کاهش می‌یابد. در بیش تر مواقع، سرعت bps 300 مناسب است اما تعداد اندکی از سیستم های SCADA، از جمله سیستم های الکتریکی، نیاز دارند تا در سرعت‌های بالای bps 2400 عمل کنند. این سرعت، استفاده از خطوط تلفن عمومی، که دارای پهنای باندی بین 300 هرتز تا 3400 هرتز می‌باشند و هم چنین سیستم رادیویی را امکان پذیر می سازد.
به طور معمول، یک MTU به ابزارهای مشخصی هم چون چاپگر و حافظه های جانبی که به آن وابسته هستند؛ نیاز خواهد داشت. این ابزارها به عنوان بخش‌های گوناگونی که در MTU مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ مطرح می شوند. در بسیاری از کاربردها، MTU برای ارسال اطلاعات پردازنده به کامپیوترهای دیگر یا اطلاعات مدیریتی به سیستم های دیگر، تجهیزاتی نیاز دارد. اتصالات ارسال ممکن است از طریق کابل‌های اختصاص یافته بین MTU و کامپیوترهای دیگر باشد اما در سیستم‌های جدید SCADA، این اتصالات بیش تر به شکل LAN (Local Area Network) پیاده سازی می‌شوند. در اغلب سیستم های SCADA ،MTU باید اطلاعات را از دیگر کامپیوترها دریافت کند. اغلب برنامه‌های کاربردی، که بر روی دیگر کامپیوترها عمل می‌کنند و به کامپیوترهای SCADA متصل می‌شوند، به گونه‌ای است که شکلی از کنترل نظارتی بر روی سیستم SCADA را فراهم می‌سازند.
شکل (2) یک RTU و اتصالات مختلف آن را نشان می‌دهد. همان طور که بیان شد RTU ها با MTU توسط یک سیگنال مدوله شده بر روی کابل‌ها و یا امواج رادیویی ارتباط برقرار می‌کنند. هر RTU باید این قابلیت را داشته باشد که پیامی که به آن دستور داده شده است را تحلیل کند، آن پیام را “دیکُد” (DeCode) کند، بر اساس آن عمل کند، اگر لازم باشد به آن پاسخ داده و جهت دریافت پیام جدید منتظر بماند. عمل کردن بر اساس پیام دریافتی، ممکن است روندی پیچیده باشد و حتی ممکن است نیاز به بررسی شرایط فعلی تجهیزات کل پروژه، مقایسه کردن موقعیت موجود با موقعیت مورد نیاز، فرستادن سیگنال الکتریکی به یک دستگاه در کل پروژه جهت تغییر حالت دادن آن، بررسی مجموعه‌ای از سوئیچ‌ها به منظور تضمین صحت انجام دستورات و ارسال یک پیام معکوس به MTU برای اعلام حصول شرایط مطلوب؛ داشته باشد. به دلیل این پیچیدگی‌ها، بیش تر RTU ها بر پایه فناوری کامپیوتری قرار می‌گیرند.
اتصالات بین RTU و تجهیزات فرایند را، در بیش تر موارد، سیم های هادی معینی تشکیل می‌دهند. به طور معمول RTU، توان الکتریکی سنسورها و تحریک کننده های با توان پایین را فراهم می‌کند. به دلیل نیاز فرایند به داشتن قابلیت اطمینان، لازم است که از یک منبع تغذیه قطع نشونده و دائمی (UPS) استفاده شود تا تضمین کند که خطاهای الکتریکی در فرایند، موجب کاهش قابلیت اطمینان سیستم نمی‌شود. این مشکل به خصوص اگر سیستم های SCADA بر روی صنایع الکتریکی نصب شوند؛ مهم واقع می‌شود. درست همان گونه که MTU می‌تواند هر RTU را اسکن کند، RTU هم هر یک از سنسورها و تحریک کننده‌ها را که در داخل آن سیم پیچی شده‌اند، اسکن می‌کند. البته اسکن کردن RTU با سرعتی بالاتر از سرعت اسکن MTU انجام می‌گیرد.
اگرچه سیستم‌های SCADA کنترلی که تحت تاثیر MTU اتفاق می‌افتد را محدود می‌کند اما همان مقدار نیز می‌تواند عمل کنترل فرایند را ممکن سازد. این ویژگی یکی از برتری های سیستم SCADA سبت به بیشتر سیستم‌های تله متری است. SCADA یک سیستم دو طرفه است، با SCADA نه تنها نشان دادن آن چه که در محل دور اتفاق می‌افتد امکان پذیر است بلکه انجام دادن بعضی کارها هم چون بخش کنترل نظارتی آن ها را سازمان دهی می‌کند
بیشتر بخوانید: کاربرد تله متری و اسکادا در شبکه آبرسانی – بخش اول: اصول و مبانی
محدودیت‌های سیستم SCADA
هر فناوری می‌تواند برای کارهای مشخصی مناسب باشد و برای بعضی کارهای دیگر نیز تا حدودی جواب گو باشد و برای گروهی از كاربردها نیز به هیچ عنوان مناسب نباشد. زمانی که كه یك فناوری تازه شکل می‌گیرد، كاربردهای مناسب و غیر مناسب آن به صورت کامل شناخته شده نیست ولی پس از گذشت مدتی از عمر آن تجارب عملی، کاربرد اصلی و دقیق آن مشخص خواهد شد. بعضی از كنترلرها و سیستم‌های جمع آوری اطلاعات هستند كه نمی‌توانند بر مبنای SCADA عمل كنند. با توجه به این که بروز خطا همواره در هر سیستمی محتمل است، بر اساس تجربه، دو نوع سیستم نباید بر اساس SCADA طراحی شوند:
- سیستم‌های حفاظتی
- سیستم‌های اندازه‌گیری تولید جهت تهیه صورتحساب یا پرداخت مالیات و نیاز به پیگیری نظارتی
سخن پایانی
در این مقاله سعی کردیم به سوال متداول اسکادا چیست پاسخ دهیم مزایای استفاده از این سیستم را برایتان شرح دادیم همچنین گفتیم سیستم اسکادا محدودیت‌هایی نیز دارد همچنین معماری RTU در قالب یک تصویر خدمتتان نشان دادیم. از همه مهمتر اجزای یک سیستم اسکادا را شرح دادیم. شرکت نیکسا مجری پروژه های برق، کنترل و ابزار دقیق با سابقه طولانی در طراحی و پیاده سازی سیستم تله متری و اسکادا آماده ارائه خدمات به شماست با ما تماس بگیرید.
