SCADA

اسکادا

سامانه سرپرستی و گردآوری داده یا اسکادا (به انگلیسی: SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition) به سامانه‌های کنترل و اندازه‌گیری در مقیاس بزرگ اطلاق می‌شود. معمولاً منظور از اسکادا یک سامانهٔ مرکزی است که نظارت و واپایی یک سایت یا سیستم گسترده در فواصل زیاد (در حد چندین کلیومتر) را بر عهده دارد.

در یک سیستم اسکادا اتاق کنترل می‌تواند بر پایهٔ داده‌های بدست‌آمده دستورهای لازم را صادر کند. همچنین این داده‌ها در یک سیستم ثبت اطلاعات یا سیستم مدیریت پایگاه داده ذخیره می‌شوند که معمولاً قابلیت ترسیم نمودار و تحلیل اطلاعات را هم دارد.

سیستم‌های اسکادا برای مونیتور کردن یا کنترل فرایندهای شیمیایی، حمل و نقل، سیستم‌های آبرسانی شهری، کنترل تولید وتوزیع انرژی الکتریکی و در خطوط نفت و گاز و سایر فرایندهای گسترده و توزیع یافته استفاده می‌شود.

SCADAیا Supervisory Control And Data Acquisition به سامانه گردآوری داده از نقاط گوناگون و مانیتورینگ ، کنترل آن می باشد. اسکادا از بنیاد کلی دستگاه های کنترل پراکنده (Disctributed Control Systems) پیروی می کند.گرچه هردو سامانه بر پایه یک هدف بنا شده اند، تفاوتهای برجسته ای نیز باهم دارند. از این تفاوتها می توان نوع کاربرد و کارآیی این سامانه ها را نام برد. سامانه SCADA همانگونه که از نام آن پیداست یک دستگاه کنترل کامل نیست بلکه برای انجام سرپرستی بررسی بر کنترل و گرد آوریاطلاعات پی ریزی شده و خواسته های اولیه و طراحی و پدیدآوری آن پایش (Monitoring)، سرپرستی در تصمیم گیری در کنترل و هشدار و آژیر (Alarm Handling) در زمان های مورد نیاز از راه یک کیان یکـتا و جامع می باشد.

هسته بنیادی این سامانه بسته های نرم‌افزاری پیشرفته ای هستند که برروی سخت افزار های استوان و مشخصی همچون PLC ها ویا RTU نهاده شده اند.

کاربرد ها

دستگاه SCADA در فرایندهای ساز و پردازی مانند آفریدن و پخش نیرو ،ساخت و گداخت فولاد، سازوپرداز های شیمیایی،ساز و پرداز های آب ،گاز و نفت کاربرد دارد.اندازه اینچنین سازه ها از 1000تا چندین ده هزار واحد ورودی/خروجی I/O (Input/output units) می باشد. و با کمک شبکه ها (Networks) و سامانه های ارتباطی (Comunication systems)، کرانه گسترده ای را بازرسی و بررسی می نماید. دستگاههای SCADA بر روی سیستم عاملهای DOS،VMSو UNIX قابل اجرا هستند. در سالهای پیش همه دستگاه های SCADA به سوی سیستم عامل NT و برخی هم به سوی Linux گرایش پیدا کرده اند.

ساختار SCADA

بخش زیر، ویژگیهای همانند و یکسان در همه دستگاههای SCADA را بازگو می کند.

ساختار ارتباطی

اطلاعات فرستاده یا دریافتی از سوی RTU از راه خط ارتباطی و PLC یا مرکز دیسپاچینگ (dispatching center) جابجا می شود. این اطلاعات نخست از سوی یک مودم (برای هر RTU تبدیل به داده سریال همزمان (Synchron) شده و سپس توسط کارت CIU ارتباط سنکرون به نحو مناسب به ارتباط سنکرون تبدیل می شود. دانستار بگونه همزمان با رایانه صنعتی مرتبط شده و از راه شبکه با رایانه Master داد و ستد می شود. پروتکل پیوند کیان و RTU پروتکل استوان HDLC خواهند بود. کالاهای مخابراتی که دارای مودم می باشد درون یک کابینت با اندازه مناسب نهاده می شوند. برای پیوند با پراکنشگاه بالا دست نیز دو عدد مودم و یک رایانه با نام Communication sever به کار گرفته می شوند. این پیوند می تواند به یکی از روشهای زیر باشد:

1- خط سفارشی (Leased Line)

2- رادیویی

3- مایکروویو

4- PLC

5- فیبر نوری

از بین این روشها، بافت نوری و مایکروویو، از بهترین آنها می باشد ولی به دلیل هزینه بالای آنها، کمتر به کار گرفته می شوند

ساختار سخت افزاری اسکادا

در پراکنشگاه، یک رایانه با نام Master 1 و یک رایانه با نام Standby ویا Master 2 به کار گرفته می شود. اگر به هر دلیلی رایانه Master 1 از کار بیفتد بی درنگ رایانه Master 2 جایگزین آن می شود و از اینرو، هیچگونه ایست (Interrupt) در کار نرم‌افزار پدید نمی‌آید هر دو رایانه Master از راه شبکه به یکدیگر پیوسته هستند. رایانه های نام برده شده برای Master از نوع رایانه سازپردازی Industrial Computer می باشند. دو رایانه دیگر نیز بعنوان workstation انگاشته شده اند که میانرخ نمایشی (GUI) روی آنها کار گذاشته می شود. از راه هر دو Workstation می توان به گزیدار بنیادی (main menu) نرم‌افزار میانرخ دسترسی پیدا کرد و دگرگونی و تغییر لازم را پدید آورد. آفریدن و یا دگرگونی نگاره های نمایشی تنها از راه Workstation ها انجام پذیر است. رایانه های Workstation نیز از راه شبکه به رایانه های Master همبند هستند. چاپگرها نیز به رایانه های Master همبند می باشند چاپگر متصل به رایانه روشن Master 2 , Master 1 فهرست رخدادها را چاپ می کند، چند چاپگر رنگی به تعداد مورد نیاز نیز به Workstation ها پیوسته است و توانایی چاپ رنگی از نگاره های نمایشی فراهم می باشد.

دو لایه بنیادی در دستگاه SCADA به اینگونه ند: 1- Client Layer که یک راه گفت و شنود بین کاربر و رایانه فراهم می کند 2- Data Server Layer که بیشتر داده های فرایند های کنترل را اداره می کند.

Data Server با کالا های میدان (Field) پیوند برقرار می کنند و کنترلرهای فرایند و PLC یکراست و یا از راه شبکه ها یا فیلد باسها ی سفارشی (siemens H1) و یا غیر اختصاصی (Profibus) به آن می رسند.

Data Serverها یا به یکدیگر یا از راه شبکه اترنت (Ethernet LAN)به ایستگاهای Client پیوند دارند.

ساختار نرم‌افزاری

نرم‌افزار های دستگاه SCADA بر پایه تکنولوژیهای Multitasking و Real Time استوار شده است و بنشت پایگاه داده های آن نیز RTDB(Real-Time DataBase)،نام دارد که برروی یک یا چند Server همزمان پیاده سازی و انجام داده می شود. دستگاه Server وظیفه پاسخگویی به کارهای ویژه ای مانند: polling controllers،alarm checking،calculation،logging and archiving) را بر دوش دارد. از سوی دیگر امکان واگذاری یک رسیدار (Server) به کارهای خاصی مانندAlarm checking،datalogger،historian هست.

ارتباطات درونی

پیوند Server-Client و Server- Server بر پایه event-driven است و از پرو تکل TCP/IPبهره می برند.

دستیابی به کالا ها

پیوند بین field و client با روشهای polling انجام می شود. بدین گونه که Data Server پارامتر خواسته شده خود را از کنترلر در خواست کرده وآنرا می خواند، کنترلر نیز در این زمان پویه خواسته شده را به Server ، می فرستد.سرعت polling برای پارامترهای گوناگون، متفاوت و نابرابر است. سامانه SCADA برای بیشتر PLCهای هم بهره، راهبرهای پیوندی فراهم می کند و در بسیاری نمونه ها از FieldbusesوModbus سود برده می شود. از سه نوع Fieldbuses متداول از Profibusو Worldbusپشتیبانی می شود امادر بسیاری از نمونه هااز CANbus پشتیبانی نمی‌شود. یک Data serverمی تواند از چندین پروتکل گزارمانی پشتیبانی کند و شیارهایی (Slot) برای افزودن میانرخ (Interface) های تازه دارد.

واسط ها (Interfacing)

نرم‌افزار دستگاه SCADA واسط های زیر را برای پیوند با کاربر فراهم می آورد:

یک میانرخ Open Data Base Connectivity(ODBC) برای یادداشت داده در سیاهه و بایگانی، که پیکر بندی پایگاه داده ها را انجام نمی‌دهد
یک میانرخ آسان برای پیکربندی پایگاه داده ها
یک کتایخانه APIs که از زبانهای C،CPP و ویژوال بیسیک (VB) برای دستیابی به دانستار ها در RTDB،logs/archive پشتیبانی می کند.API بیشتر دستیابی به ویژگی های داخلی SCADA مانند سازماندهی هشدارها ، گزارش گیری و غیره را فراهم نمی‌کند.

توانرسانی

برای جلوگیری از خاموش شدن رایانه ها و رسیدارها به هنگام رخداد بی برقی، از توانگاه های درنگ ناپذیر (Unintruptable power supply (UPS بهره گرفته می شود.UPS به کاررفته در مرکز دیسپاچینگ از نوع ONLINE و تک فاز می باشد توان UPS نامبرده کمابیش نزدیک 5 کیلو ولت آمپر می باشد.

گسترش پذیری

گسترش پذیری (Scabality) به معنی توانایی گسترش سامانه کنترل SCADA به هنگام نیاز با افزودن رسیدار های ویژه ، ایستگاههای Client و تعداد پویا (Variables) های نرم‌افزاری و سخت افزاری زیر کنترل است. SCADA به سبب داشتن چندین Data Server پیوسته به چند کنترلر به Scabality دست می یابد.

هر Data Server ساختار پایگاه داده ها و RTDB یکتایی دارد و عهده دار سازماندهی یک زیر گروه از پویه های فرایند است (سازماندهی هشدار ها و بایگانی داده ها)

چندینگی

فرمانسرای SCADA ، بسته به اهمیت و ارزشمندی فرایندی که کنترل می کند، بگونه چندینه (Redundant) پیاده سازی می گردد. بدین گونه که برای افزایش تاب آوری و آسیب گذری (Fault tollerance) سامانه، به ازای هر بخش یا برخی از بخش های کلیدی ، همچون سخت افزار یا نرم‌افزار، یک یا چند بخش آماده ( Stand by) افزوده می گردد و با رخداد گزند در بخش نخستین، بخش جانشین، پیگیری کنش را در دست می گیرد سامانه های جانشین به سه دسته، بخش بندی می شوند:

جانشین خاموش (Cold Standby)

جانشین نیمه روشن (Warm Standby)

جانشین روشن(Hot Standby)

به سخن دیگر، با پدید آمدن برخی رخدادهای نا خواسته ، دستگاه ، از کار نمی‌افتد. بلکه با زینه و آستانه کمتری از کارایی(Graceful Degradation) به کار گرفته می شود. کارکرد کم زینه (Derated operation) سامانه ها از برونرفت سراسری کنترل و پایش سیستم جلوگیری می کند.

میانرخ نمایش HMI

SCADA کمابیش، انواع گوناگونی از نمایشکده ها مانند نمودارهای های خطی – ستونی و یا لیستهای وابسته به پویه ها را در دسترس کاربر می گذارد. نوع دیگری از این رویه های نمایش، نمایش نگاری (Graphic) است که توسط ابزار های گرافیکی نرم‌افزاری در محیط های ویژه ساخته شده و به پویگان (Variables) زیر راهبری متصل می شوند که از این رو می توان دگرگونی هر یک از پویگان اندازه گیری شده از سوی ابزارها پدید آمده در field را که مایه دگرگونی پویه های نرم‌افزاری در RTDB می شوند بگونه on-line زیر یک نگارک دید.

هشدارها

هر رخدادی که مایه دگرگونی وضعیت یکی از بخش های کنترل شده گردد، یک رویداد نامیده می شود. رویدادهایی که نیاز به آگاهی رسانی به کاربر و واکُنش وی را داشته باشد آژیر و هشدار (Alarm) نامیده می شود. هشدار افزون بر نگاشته شدن در فایل ، به پدید آمدن کنش های دیگر همچو چاپ بر روی چاپگر ، پدید آمدن آژیر صوتی و چشمک زدن ابزار مورد نظر و… می انجامد.

Alarm handing کارهای مرتبط به دریافت حال هشدار و آفریدن سیگنال آژیر گفته می شود که در یک Data Server انجام می گیرد.

منطق و فرزان آژیرها به گونه متمرکز و کیان سازماندهی می شوند، دانستار تنها در یک جا هستند و همه کاربران وضعیت های همسان می بینند، و چندین آلارم بر پایه سطوح اولویت و شایانی پشتیبانی می شوند.

انباشت و بایگانی رخدادها

Logging/Archiving به گرد آوری دانستار وابسته به لایه های دسترسی کاربران در زمانهای مشخص به سرچشمه سامانه می پردازند و این دانستار را به شکل یک فایل Archive نگهداری می کنند.ثبت رویداد ها می تواند با نام اندوخته میان مدت داده روی دیسک انجام گیرد با اینکه نگهداری و بایگانی اطلاعات در بلند زمان روی دیسک انباشته می شود.

گزارش گیری

SCADAبا بهره گیری از زبان SQL گزارشهایی را برای Archive،RTDBیا Logs فراهم می کند.با اینکه درج جدولهای EXCEL در بخش گزارش شدنی است اما توانایی “cut and paste” روی هم رفته فراهم نشده است. توانایی های موجودقادر به پیدایش ،چاپ و بایگانی (بایگانی) گزارش ها بگونه اتوماتیک هستند.

آمادگی ایستگاه برای نصب اسکادا

در ایستگاه های پخش نیرو برای گردآوری دانستار نقاط و پیاده سازی کنترل بر آنها، یکسری کالا هایی مورد نیاز می باشد که بایستی از سوی پیمانکار سازنده پست، طراحی و انجام شوند. از این رو، باید از همه PT , CT یا C.V.T های کار گذاشته شده در لیست و نیز پناه افزارهایی که به کلید ها فرمان می دهند و نیز از پل های کمکی همه کلیدهای پست، سیم بندی مناسب انجام شده و این سیم بندی، بگونه های مناسب دسته بندی شده و در اشکاف ویژه‌شان بر روی پایانه هایی، نصب و به هم رسند. به گفته دیگر این آمادگی در ایستگاه ها بایستی فراهم باشد که نیازی به انجام سیم کشی در سوی فیلد نباشد و تنهای درگاه پایانه ها، به پایانه های موجود در کابینت مارشالینگ راک به هم رسند. در هر پست ، نصب RTU (پایانه) ، تابلوی (High Voltage Interpossing) HVI و سوار کردن باتری شارژر و باتریها و انجام سیم کشی از RTU تا تابلوی مارشالینگ راک; بر عهده پیمانکار سامانه اسکادا می باشد.

برآورد گنجایش اسکادا

برآورد و شمارش تعداد نقاط زیر کنترل سامانه، از برجسته ترین و حساس ترین گام های طراحی یک سامانه دیسپاچینگ و اسکادا می باشد. این نقاط، دربردارنده دانستار زیر می باشند: 1- نقاط کنترلی Commands) یا (Digital Outputs 2- باشه (Status) های کلیدها Indications) یا (Digital Inputs 3- مقادیر اندازه گیری Measurands) یا (Digital Inputs 4- آژیر های پست ها Alarms) یا (Digital Inputs

بخش‌های مختلف سامانهٔ اسکادا

یک سامانهٔ اسکادا از زیرسامانه‌های زیر تشکیل شده‌است:

واسط انسان و ماشین: دستگاهی است که نحوه پردازش داده را به یک اپراتور انسانی نشان می‎دهد و از این طریق، اپراتور انسانی عملکرد ماشین را نظارت و کنترل می‎کند.
واحدهای خروجی راه دور: این واحدها به سنسورها متصل شده، سیگنالهای سنسور را به داده‎های دودویی تبدیل کرده، و داده‎های دودویی را به سیستم نظارتی ارسال می‎کنند.
کنترل‌کننده‎های منطقی قابل برنامه‎نویسی یا پی‌ال‌سی‌ها که مانند مغز متفکر این سیستم‎ها هستند و کارهای اساسی را انجام می‎دهند، زیرا آنها اقتصادی‎تر، تطبیق‎پذیر و انعطاف‎پذیر بوده و دارای قابلیت پیکربندی بهتری نسبت به “RTU”های (واحدهای خروجی راه دور) با هدف خاص هستند.
زیرساخت ارتباطاتی: سیستم‎های ناظر را به واحدهای پایانه راه دور متصل می‎سازد.