معرفی سیستم اسکادا در اتوماسیون صنعتی زیمنس

سیستم اسکادا چیست؟

ممکن است برای شما هم این سوال پیش آمده باشد که scada چیست؟ اسکادا کنترل سرپرستی و اکتساب داده به سامانه‌های کنترل و اندازه‌گیری در مقیاس بزرگ اطلاق می‌شود.

معمولا منظور از اسکادا یک سامانه مرکزی است که نظارت و واپایی یک سایت یا سیستم گسترده در فواصل زیاد (در حد چندین کلیومتر) را بر عهده دارد. به عبارتی اسکادا زیمنس تلفیق تله متری و گردآوری داده است، که شامل جمع آوری اطلاعات و انتقال آن به یک سایت مرکزی زیمنس، اجرای تجزیه و تحلیل و کنترل لازم، و سپس نمایش این داده ها بر روی تعدادی از صفحات نمایشی اپراتوری زیمنس است.

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

سیستم‌های اسکادا زیمنس برای مانیتور کردن یا کنترل فرآیندهای شیمیایی، حمل و نقل، سیستم‌های آبرسانی شهری، کنترل تولید و توزیع انرژی الکتریکی و در خطوط نفت و گاز و سایر فرایندهای گسترده و توزیع یافته استفاده می‌شود. کنترل ممکن است به صورت اتوماتیک و یا توسط دستورات اپراتور باشد.

تله متری و مفهوم آن در اتوماسیون صنعتی زیمنس

تله متری معمولا همراه سیستم های اسکادا زیمنس است. این تکنیک در انتقال و دریافت اطلاعات یا داده ها توسط یک واسط استفاده می‌شود. اطلاعات می‌تواند مقادیر اندازه گیری شده ولتاژ، سرعت، یا جریان باشد. این داده‌ها توسط یک واسط مثل کابل، تلفن یا رادیو، به محل دیگری منتقل می‌شوند. این اطلاعات ممکن است از مکان‌های گوناگون آمده باشند. نحوه آدرس دهی این مکان‌های مختلف در سیستم به ثبت رسیده است.

اکتساب داده چیست؟

منظور از اکتساب داده روش مورد استفاده برای دسترسی و کنترل اطلاعات و داده از تجهیزات تحت مانیتورینگ زیمنس است. داده‌های بدست آمده سپس به یک سیستم تله متری که آماده انتقال داده به مکان‌های مختلف است؛ فرستاده می‌شود. این اطلاعات می‌توانند آنالوگ یا دیجیتال باشند که توسط سنسورهایی مثل فلومتر، آمپرمتر یا غیره جمع آوری شده اند. همچنین می‌توانند داده‌هایی برای کنترل تجهیزاتی از قبیل محرک‌ها، رله‌ها، سوپاپ‌ها، موتورها و غیره باشند.

سیستم های تله متری و اسکادا

این دو سیستم از نظر ساختار با یکدیگر تفاوت هایی دارند، به طور مثال سیستم های اسکادا اتصالات رادیویی (بدون سیم) و اتصال مستقیم (سیمی) استفاده می‌کند، در حالی که برای سیستم های بزرگ مانند راه آهن عملکرد مانیتورینگ از راه دور یک سیستم SCADA اغلب به عنوان تله متری شناخته می‌شود.

تفاوت‌های بین SCADA و DCS چه هستند؟

نمایندگی زیمنس تهران تکنو زیمنس این تفاوت را اینگونه معرفی می‌کند: در بسیاری از صنایع، تفاوت زیادی بین سامانه‌های اسکادا زیمنس و سیستم‌های کنترلی زیمنس توزیع شده (DCS) وجود دارد. عموماً یک سیستم اسکادا در زیمنس به یک سیستم که کار هماهنگ‌سازی را انجام می‎‌دهد، اما عملکردها را کنترل نمی‎‌کند، برمی‎‌گردد. بحث در مورد کنترل زمان واقعی در این دو سیستم ناممکن است، چرا که ارتباطات کنترل از راه دور مدرن تر، توانایی بیشتر، تأخیر کم و ارتباطات سریعتری را در منطقه وسیعی تضمین می‎‌کند. همانطور که زیرساختهای ارتباطی با ظرفیت بالاتری قابل دسترس می‎‌شوند، تفاوت بین اسکادا و سیستم‎های کنترلی توزیع شده کمتر می‎‌شود.

DCS معمولا در کارخانه‌ها استفاده می‌شود و در یک مکان محدودتر واقع شده است و از واسط‌‌های سرعت بالایی مثل شبکه محلی (LAN) استفاده می‌کند. مقدار قابل توجهی از کنترل‌های حلقه بسته روی سیستم موجود است. سیستم SCADA مناطق جغرافیایی بیشتری را پوشش می‌دهد و ممکن است به انواع ارتباطات مانند رادیو و تلفن وابسته باشد. کنترل حلقه بسته در این سیستم از اولویت بالایی برخوردار نیست.

معرفی اجزای سیستم اسکادا زیمنس توسط نمایندگی زیمنس تهران تکنو زیمنس:

یک سیستم اسکادا زیمنس از موارد زیر تشکیل شده است:

• ابزار دقیق میدانی
• ایستگاه کنترل از راه دور
• شبکه ارتباطات
• ایستگاه نظارت مرکزی

ابزار دقیق میدان

منظور از ابزار دقیق میدان سنسورها زیمنس و محرک‌هایی هستند که مستقیما به کارخانه یا تجهیزات اتصال دارند. آن‌ها سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتالی را تولید می‌کنند که توسط ایستگاه کنترل از راه دور مانیتور زیمنس خواهد شد. سیگنال‌ها مشروط به این هستند که با وروردی/خروجی RTU یا PLC زیمنس در ایستگاه کنترل از راه دور سازگار باشند. تجهیزات توسط کامپیوتر host مرکزی مانیتور و کنترل می‌‌شوند، که می‌تواند یک RTU (پایانه راه دور) یا یک PLC (کنترلر منطقی برنامه پذیر) باشد.

شبکه ارتباطات

یک واسط برای انتقال اطلاعات از مکانی به مکان دیگر است که ممکن است توسط خط تلفن، رادیو یا کابل انجام شود.

ایستگاه نظارت مرکزی CMS

به محل کامپیوتر host مرکزی گفته می‌شود. در صورت لزوم ممکن است چندین ایستگاه کاری در CMS تنظیم شده باشند. انواع داده‌هایی که برای عملیات مورد نیاز هستند توسط برنامه رابط انسان ماشین (MMI) مانیتور زیمنس می‌شوند.

شکل: سیستم اسکادا برای توزیع آب

ابزار دقیق میدان

ابزار دقیق میدان به دستگاه‌هایی گفته می‌شود که به تجهیزات و ماشین آلاتی که توسط سیستم اسکادا نظارت و کنترل می‌شوند متصل هستند. ابزار دقیق شامل سنسورهایی برای مانیتورینگ پارامترهای خاص و محرک‌هایی برای کنترل ماژول‌های خاصی از سیستم می‌شود. این ابزار دقیق پارامترهای فیزیکی مانند جریان سیال، سرعت، سطح مایع، و غیره را به سیگنال‌های الکتریکی (به عنوان مثال، ولتاژ یا جریان) که برای تجهیزات ایستگاه کنترل از راه دور قابل خواندن است تبدیل می‌کنند. خروجی‌ها می‌توانند آنالوگ (پیوسته) یا دیجیتال (گسسته) باشند.

برخی از استاندارهای صنعتی برای خروجی آنالوگ این سنسورها، 0 تا 5 ولت، 0 تا 10 ولت، 4 تا 20 میلی آمپر و 0 تا 20 میلی آمپر هستند. خروجی‌های ولتاژ هنگامی که سنسورها نزدیک کنترلرها (RTU یا PLC) هستند استفاده می‌شود و خروجی‌های جریان، هنگامی که سنسورها دور از کنترلرها واقع شده اند.

خروجی‌های دیجیتال برای تشخیص وضعیت گسسته تجهیزات به کار می‌روند. معمولا 1 به معنی وضعیت روشن و 0 به معنی وضعیت خاموش برای تجهیزات است. همچنین ممکن است 1 برای پُر و 0 برای خالی بودن استفاده شود.

محرک‌ها برای روشن و یا خاموش کردن تجهیزات خاص استفاده می‌شوند. به همین ترتیب، ورودی‌های دیجیتال و آنالوگ برای کنترل استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، ورودی‌های دیجیتال می‌تواند برای روشن و خاموش کردن ماژول‌ها در تجهیزات استفاده شوند. در حالی که ورودی آنالوگ برای کنترل سرعت یک موتور و یا موقعیت دریچه مکانیکی استفاده می‌شود.

ایستگاه کنترل از راه دور

ابزار دقیق میدان متصل به تجهیزات کارخانه و تحت نظارت و کنترل؛ به ایستگاه کنترل از راه دور اتصال دارند تا امکان اعمال نفوذ در فرآیند را از مکان دور دستی فراهم کنند. همچنین برای جمع آوری داده‌ها از تجهیزات و انتقال آن‌ها به سیستم اسکادا مرکزی از ایستگاه کنترل از راه دور استفاده می‌شود. ایستگاه کنترل از راه دور ممکن است یک RTU (پایانه راه دور) یا یک PLC (کنترلر منطقی برنامه پذیر) باشد. همچنین ممکن است یک بُرد تکی یا یک واحد ماژولار باشد.

RTU در مقایسه با PLC

RTU (پایانه راه دور) یک کامپیوتر مستحکم با رابط رادیویی بسیار خوب است که در ایستگاه‌هایی که ارتباطات در آن‌ها مشکل تر است استفاده می‌شود. یکی از معایب RTU برنامه ریزی ضعیف آن‌ها است. گرچه RTU های مدرن برنامه ریزی خوبی ارائه کرده اند که با PLC ها قابل قیاس است.

PLC (کنترلر منطقی برنامه پذیر) یک کامپیوتر کوچک صنعتی است که معمولا در کارخانه‌ها یافت می‌‌شود. استفاده اصلی آن جایگزینی منطق رله ای یک کارخانه یا فرآیند است. امروزه PLC به دلیل برنامه ریزی بسیار خوب آن در سیستم های اسکادا استفاده می شود.

PLC های اولیه هیچ پورت ارتباط سریالی برای ارتباط رادیویی به منظور انتقال داده‌ها نداشتند. امروزه PLC ها دارای ویژگی‌های ارتباطی وسیع و پشتیبانی گسترده ای از دستگاه‌های رادیویی متداول در سیستم‌های اسکادا هستند. در آینده نزدیک شاهد ادغام RTU ها و PLC ها خواهیم بود.

میکرولاجیک RTU ارزان قیمتی را برای سیستم اسکادا در جایی که استفاده از PLC ممکن است راه حل مقرون به صرفه ای نباشد، ارائه کرده است. این RTU مبتنی بر میکروکنترلر است و می‌تواند به عنوان واسط برای رادیو مودم‌ها برای انتقال داده‌ها به CMS عمل کند.

بُرد تکی در مقایسه با واحد ماژولار

ایستگاه کنترل از راه دور معمولا دو نوع است. نوع تکی تعداد ثابتی از رابط‌های ورودی/خروجی را فراهم می‌کند. این نوع ارزان است اما به سادگی سیستم پیچیده تری را ارائه نمی‌دهد. نوع ماژولار ایستگاه کنترل از راه دور قابل ارتقا و گران تر از برد تکی است. معمولا از یک صفحه پشتی برای اتصال ماژول‌ها استفاده می‌شود. ماژول‌های ورودی/خروجی مورد نیاز برای توسعه را در آینده می‌توان به آسانی روی backplane سوار کرد.

شبکه ارتباطی

منظور از شبکه ارتباطی تجهیزات ارتباطی مورد نیاز برای انتقال داده‌ها به/از مکان‌های مختلف است. واسط استفاده شده می‌تواند کابل، تلفن یا رادیو باشد.

کابل معمولا در کارخانه استفاده می‌شود. در سیستم‌هایی که مناطق جغرافیایی وسیعی را پوشش می‌دهند، به دلیل هزینه بالای کابل‌ها، لوله‌ها، و کار زیاد برای نصب آن‌ها، نمی‌توان از این روش استفاده کرد. استفاده از خط تلفن یک راه حل ارزان قیمت برای سیستم‌های با پوشش بالا است، ولی مکان‌های دور معمولا توسط خطوط تلفن در دسترس نیستند. استفاده از رادیو یک راه حل مقرون به صرفه ارائه می‌دهد. رادیو مودم‌ها برای اتصال مکان‌های دور به host استفاده می‌شوند. در سیستم‌های رادیویی عملیات آنلاین را نیز می‌توان اجرا کرد. در مکان‌هایی که ارتباط رادیویی مستقیم نمی‌توان تاسیس کرد از ریپیتر رادیویی برای اتصال به مکان‌های دیگر استفاده می‌شود.

ایستگاه نظارت مرکزی

ایستگاه نظارت مرکزی واحد مَستری در سیستم‌های اسکادا است. این واحد مسئول جمع آوری اطلاعات به دست آمده از ایستگاه‌های کنترل از راه دور و انجام اقدامات لازم برای هر رویداد شناسایی شده است. پیکربندی CMS می‌تواند متشکل از یک کامپیوتر باشد یا می‌توان آن را با ایستگاه‌های کاری برای اشتراک‌گذاری اطلاعات سیستم اسکادا، شبکه کرد.

یک برنامه رابط انسان ماشین در کامپیوتر CMS اجرا خواهد شد. برای شناسایی آسان تر سیستم واقعی، یک نمودار از کل کارخانه یا فرآیند روی صفحه نمایش نشان داده می‌شود. هر نقطه I/O از واحد‌های کنترل از راه دور را می‌توان با نمادهای گرافیکی متناظر نشان داد و آن را خواند. مقدار جریان را می‌توان با یک نماد گرافیکی از فلومتر نشان داد. یک مخزن را می‌توان با نماد برای محتویات مایع متناظر با توجه به سطح واقعی مخزن نمایش داد.

تنظیم پارامترهای مختلف مانند محدودیت‌ها و غیره در برنامه وارد می‌شود و توسط واحدهای کنترل از راه دور مربوطه دانلود شده و برای آپدیت پارامترهای عملیاتی به کار گرفته می‌شود. برنامه MMI همچنین می تواند یک پنجره جداگانه برای آلارم ایجاد کند. پنجره آلارم می‌تواند تَگ‌های نام، توضیحات، مقدار، مختصات، زمان و سایر اطلاعات مربوط را نشان دهد. تمام آلارم‌ها در یک فایل جداگانه برای بررسی بعدی ذخیره خواهد شد. روند کاری نقاط مورد نیاز را می‌توان بر روی سیستم برنامه ریزی کرد. نمودارهای گرافیکی را مشاهده یا پرینت کرد. ارائه گزارشات مدیریتی در یک زمان خاص بر اساس یک دوره تناوبی بنا به خواست اپراتور یا طبق آلارم‌های شروع رویداد، نیز قابل برنامه ریزی است.

دسترسی به این برنامه فقط برای اپراتورهای واجد شرایط مجاز می باشد. به هر کاربر یک رمز عبور و یک سطح برای دسترسی به مناطق خاصی از برنامه داده می‌شود. تمام اقدامات انجام شده توسط کاربران در یک فایل برای بررسی آینده ضبط می‌شود.

پیکربندی متداول سیستم

دو پیکربندی متداول برای سیستم‌های اسکادای مبتنی بر رادیو تله متری بی سیم وجود دارد. پیکربندی تقطه به نقطه و نقطه به مجموعه نقاط. پیکربندی نقطه به نقطه، ساده ترین تنظیم برای سیستم تله متری است. داده بین دو ایستگاه رد و بدل می‌شود. یک ایستگاه به عنوان مَستر و دیگری اِسلیو در نظر گرفته می‌شود. یک مثال تنظیم دوRTU است، یکی برای مخزن و دیگری برای پمپ آب در مکانی دیگر. هر وقت تانک در شرف خالی شدن باشدRTU متصل به آن یک فرمان EMPTY برای RTU دیگر ارسال می‌کند. به محض دریافت این دستور، RTU در پمپ آب شروع به پمپاژ آب به مخزن می‌کند. وقتی مخزن پر است RTU آن یک دستور FULL را به RTU پمپ برای توقف پمپاژ خواهد فرستاد.

شکل: اتصال نقطه به نقطه

پیکربندی نقطه به مجموعه نقاط

پیکربندی نقطه به مجموعه نقاط هنگامی است که یک دستگاه به عنوان واحد اصلی برای چندین اِسلیو تعیین شده است. مَستر معمولا host اصلی است و در اتاق کنترل قرار می‌گیرد، در حالی که اِسلیوها واحدهای کنترل از راه دور در مکان‌های دوردست هستند. به هر اِسلیو یک آدرس منحصر به فرد و یا شماره شناسایی تخصیص داده شده است.

شکل: اتصال نقطه به مجموعه نقاط

مُدهای ارتباطی

دو مُد برای ارتباطات وجود دارد، سیستم نمونه برداری و سیستم وقفه.

سیستم نمونه برداری

در سیستم نمونه برداری یا مَستر/اِسلیوی، مَستر تمام ارتباطات را کنترل می‌کند، مَستر به طور منظم از داده‌ها نمونه برداری می‌کند، داده‌‌ها را به هر اِسلیو در دنباله می‌فرستد و از آنها دریافت می‌کند. واحد اِسلیو تنها وقتی به مَستر پاسخ می‌دهد که درخواست دریافت کرده باشد. این روش نیمه دوطرفه نامیده می‌شود. هر واحد اِسلیو آدرس منحصر به فرد خود را دارد که امکان شناسایی صحیح را فراهم می‌کند. اگر یک اِسلیو به مدت یک دوره از پیش تعیین شده پاسخ ندهد، مَستر برای چند مرتبه دیگر سعی می‌کند از آن نمونه برداری کند پیش از آنکه به نمونه برداری از واحد اِسلیو بعدی ادامه دهد.

مزایا

1. فرآیند جمع آوری اطلاعات نسبتا ساده است.
2. هیچ برخوردی نمی‌تواند روی شبکه رخ می دهد.
3. نارسایی یک اتصال به راحتی قابل تشخیص است.

معایب

1. درخواست نوع وقفه از طرف یک اِسلیو که درخواست اقدام فوری دارد را نمی‌توان فورا پاسخ داد.
2. زمان انتظار با افزایش تعداد اِسلیوها زیاد می‌شود.
3. تمام ارتباطات بین اِسلیوها باید از مَستر عبور کند که سبب افرایش پیچیدگی می‌شود.

سیستم وقفه

سیستم وقفه به عنوان سیستم پیکربندی شده RBE (گزارش توسط استثنا) شناخته می‌شود. در این نوع، اِسلیو ورودی‌هایش را مانیتور می‌کند. هنگامی که تغییر قابل توجهی را تشخیص می‌دهد یا زمانی که از یک محدودیت فراتر می‌رود، اِسلیو شروع به برقراری ارتباط با مَستر می‌کند و داده انتقال می‌دهد. این سیستم با تشخیص خطا و روند بهبود برای مقابله با برخورد طراحی شده است. بدین منظور در وحله اول با تشخیص کَریر(حامل) از محیط انتقال انجام می‌شود. اگر واحد دیگری در حال انتقال داده باشد، یک زمان تاخیرِ رَندم قبل از سعی مجدد نیاز است. برخورد بیش از حد منجر به عملکرد نامنظم سیستم و حتی نارسایی در سیستم می‌شود. برای جلوگیری از این حالت اگر پس از چند تلاش، اِسلیو موفق به انتقال پیام به مَستر نشود منتظر می‌ماند تا مَستر مجددا نمونه برداری انجام دهد.

مزایا

1. سیستم انتقال‌های غیر ضروری داده‌ها را همانند سیستم نمونه برداری کاهش می‌دهد.
2. تشخیص سریع اطلاعاتِ وضعیت اضطراری.
3. ارتباط اِسلیو به اِسلیو در این سیستم مجاز است.

معایب

1. مَستر تنها هنگامی یک لینک خراب را تشخیص می‌دهد که از سیستم نمونه برداری کند.
2. برای داشتن آخرین مقادیر اپراتور باید عملیات انجام دهد.
3. برخورد داده‌ها ممکن است اتفاق بیفتد که سبب تاخیر در ارتباط می‌شود.