منظومات المراقبة والتحكم وجمع المعلومات

منظومات مراقبه تحكم جمع معلومات

Supervisory control and data acquisition / SCADA - Acquisition de données et de surveillance

منظومات المراقبة والتحكم

تمثل المنظومة (SCADA) supervisory control and data acquisition نظام قياس وتحكم واسع النطاق، وهي حزمة برمجية متكاملة تتوضع فوق العتاد الصناعي. وهي تُعدّ تطوراً لنظم القياس من بُعد telemetry، التي تنص على جمع المعطيات الناتجة من أدوات حساسة تعمل في الزمن الحقيقي، ونقلها إلى وحدة مركزية.

تضم هذه المنظومة قاعدة معطيات موزَّعة، تحوي بيانات تسمى بالنقاط points. تمثل النقطة مدخلاً أو خرجاً وحيداً للمراقبة أو للتحكم. وقد تكون هذه النقاط عتادية أو برمجية، ويُقصد بالنقطة العتادية مدخلاً فعلياً موصولاً إلى النظام، في حين تمثل النقطة البرمجية حاصل عملية منطقية أو حسابية مطبَّقة على نقاط عتادية أو برمجية. تسمح الحواسيب المضيفة في المنظومة SCADA برقابة المواقع البعيدة، ويجري جلّ التحكم في الموقع آلياً بوساطة الوحدات الطرفية البعيدة (RTU) remote terminal units. في حين تقتصر وظائف التحكم في المضيف على عمليات المراقبة أو التدخل القسري. ويجري تحصيل المعطيات على مستوى الوحدات الطرفية البعيدة، ويتضمن ذلك قراءة المقاييس والمُحسّات وحالة التجهيزات. من ثَمَّ تُعاد صياغة المعطيات وتُجمع وتُرسل إلى مشغِّل المنظومة في غرفة التحكم.

تحوي المنظومات SCADA غالباً مكوِّنات تحكّم موزَّعة DCS (distributed control system)، ويسمح استخدام الوحدات الطرفية البعيدة (مثل المتحكمات القابلة للبرمجة PLC) بتنفيذ عمليات منطقية بسيطة من دون تدخل الحاسوب المركزي.

لا يقتصر استخدام المنظومات SCADA على العمليات الصناعية فحسب، مثل صناعة الفولاذ، وتوليد الطاقة وتوزيعها، وتوزيع المياه والغاز الطبيعي، والعمليات الكيميائية، بل تُستخدم أيضاً في بعض المرافق التجريبية، مثل الاندماج النووي. وتضم هذه التطبيقات من 1000 إلى 10.000 نقطة دخل/خرج. وصارت حالياً تُستخدم لمنشآت تتطلب مليون نقطة.

عناصر المنظومة SCADA

تتألف المنظومة SCADA من مكوِّنات عتادية وبرمجية.

تضم المكوِّنات العتادية (الشكل 1) طبقتين:

- طبقة الزبون client: وهي تضم واجهة التواصل البشري الحاسوبي(HMI) human machine interface.

- طبقة مخدِّم المعطيات: وتتعامل مع وحدات التحكم الموزَّعة. يسمى هذا المخدِّم أيضاً بالوحدة الطرفية الرئيسية main terminal unit (MTU). يتخاطب هذا المخدِّم مع التجهيزات الحقلية عبر الوحدات الطرفية البعيدة RTU التي تُبنى عادةً من المتحكمات القابلة للبرمجة PLC. وتتصل المتحكمات بالمخدِّمات عبر الشبكات أو المساري الحقلية (المساري ذات المعايير المفتوحة مثل Profibus، أو المعايير الامتلاكية مثل Siemens H1). ويمكن أن تتصل المخدِّمات ببعضها بوساطة المعيار Ethernet LAN.

أما المكوِّنات البرمجية فتضم أساساً قواعد المعطيات في الزمن الحقيقي، التي قد تتوضع في مخدِّم واحد أو أكثر. وتُعدّ هذه البرمجيات مسؤولة عن تحصيل المعطيات ومعالجتها (مثل تدقيق الإنذارات، والعمليات الحسابية، وقيد الدخول، والأرشفة).

إذن: يمكن تلخيص العناصر الأساسية لمنظومات التحكم الرقابي وتحصيل المعطيات بما يأتي:

- واجهة التواصل البشري- الحاسوبي

- الوحدات الطرفية الرئيسية

- الوحدات الطرفية البعيدة

- البنية الأساسية للاتصالات

واجهة التواصل البشري - الحاسوبي

هي واجهة تخاطب تتعامل مع نظم التحكم الموزَّعة. وعلى الرغم من قيام المتحكمات القابلة للبرمجة PLC بجميع العمليات المؤتمتة، والمبرمجة سلفاً، فإنها تكون موزَّعة على أطراف مترامية، وهذا ما يجعل جمع المعطيات منها عملية صعبة. تفيد واجهة التواصل في جمع المعطيات من المتحكمات القابلة للبرمجة بوساطة طرائق الاتصال، وتقوم بصياغتها وإرسالها.

ومع تغيّر دور المنظومات SCADA منذ التسعينيات، إذ صارت المتطلبات تتجه نحو الأداء المؤتمت للمهمات، صارت الواجهة قادرة على الارتباط بقواعد المعطيات المفتوحة، والمكتبات البرمجية API لتوفير معطيات التشخيص، والصيانة المجدولة والمعلومات اللوجستية، ومراحل إدارة المشكلات.

وفي نهاية التسعينيات، انتشرت النظم المتكاملة، التي تضم المنظومة SCADA إضافة إلى واجهات التواصل، انتشاراً واسعاً، وغدت متوافقة مع بروتوكولات الاتصال المفتوحة. وأصبح من الممكن للفنيين تشكيل الواجهات من دون الحاجة إلى برنامج مخصَّص لذلك.

الوحدة الطرفية الرئيسية

تُعدّ هذه الوحدة المكوِّن الأساسي في المنظومة SCADA. فهي التي تبادر بالاتصال، وتجمع المعطيات، وتخزِّنها، وترسلها إلى النظم الأخرى. وهي تضم واجهة للتخاطب مع المشغِّلين. تتخاطب الوحدة الرئيسية أيضاً مع بقية التجهيزات الطرفية مثل الشاشات والطابعات وغيرها من نظم المعلومات.

تظهِر الوحدات الرئيسية في المنظومات SCADA المعلومات عادةً على نحو تماثلي. إذ يمكن للفني أن يرى تمثيلاً للمنشأة التي يجري التحكم فيها. ومثال ذلك، صورة مضخة متصلة بأنبوب مع إظهار مستوى السائل في الأنبوب في كل لحظة، بحيث يمكن للفني إيقاف المضخة، وعندئذٍ يتوقف مستوى السائل عن التغير. وفي أغلب الأحيان تستخدم الواجهة تمثيلاً ثنائي البعد.

تعمل الوحدة الرئيسية في المنظومة SCADA بنظام تشغيل مطوَّر من طرف ثالث (مثلاً النظام UNIX أو HP Open VMS). وظهرت حالياً بعض الحواسيب الرئيسية التي تعتمد النظام Windows وLINUX.

وبدلاً من الاعتماد على تدخل الفني، أو تدخل الوحدة الطرفية الرئيسية، يُطلب من الوحدات الطرفية البعيدة التحكم في معظم المهمات. ويُطلب إذن من برنامج الوحدة الطرفية الرئيسية إجراء تحليل للمعطيات قبل تمثيلها أمام الفني، مثل التحليل التراكمي، والتحليل الخاص بمواصفات العملية الصناعية. وتُطبَّق إجراءات الأمن على كامل النظام وينبغي أن تحقق الوحدة الطرفية الرئيسية المتطلبات الأمنية الصارمة في بعض البيئات.

ولمّا كانت الكلفة الناتجة من إخفاق نظام التحكم مرتفعة جداً، فإنه ينبغي أن تتسم الوحدة الطرفية الرئيسية في المنظومة SCADA بالمتانة وتحمّل درجات الحرارة المرتفعة والاهتزازات وارتفاع الجهد. وتتحقق الموثوقية في هذه المنظومات، ومن ثَمَّ في المنشآت الحرجة، بتكرار الوحدات الطرفية الرئيسية وقنوات الاتصال بحيث يمكن الاستعاضة بهذا النظام عن أي مكوّن عاطل مباشرة من دون توقف العملية.

الوحدة الطرفية البعيدة

تضم هذه الوحدات معالجات صغرية ومتحكمات قابلة للبرمجة، تتحكم في الموقع مباشرة من دون تدخل الوحدة الطرفية الرئيسية. وهي تتخاطب مع الوحدة الطرفية الرئيسية عبر بروتوكول تخاطب مفتوح أو امتلاكي. تجمع هذه الوحدة المعطيات من المواقع البعيدة من مختلف تجهيزات الدخل، وتخزِّن المعطيات بالذاكرة الخاصة بها، وتنتظر المبادرة من الوحدة الطرفية الرئيسية لنقل هذه المعطيات إليها.

ترتبط الوحدات الطرفية البعيدة RTU بالتجهيزات الفيزيائية مثل المبدِّلات switches، والمضخات ونحوها، وهي تفيد في مراقبة عمل هذه التجهيزات والتحكم فيها.

ويُعدّ الإنذار alarm جزءاً مهماً من عمل الوحدات الطرفية البعيدة في المنظومات SCADA، إذ يمكن إنشاء الإنذار بحيث يجري تفعيله عند تحقق شروط معينة. وقد يقتصر دور الإنذار على تنبيه الفني على الخطأ، أو يقوم بإرسال الرسائل النصية عبر برامج إدارة الإنذارات إلى الوحدة الطرفية الرئيسية في المنظومة.

بنية الاتصالات الأساسية

تفيد في تحقيق الاتصال الثنائي الاتجاه بين الوحدات الطرفية الرئيسية والبعيدة. استخدمت المنظومات SCADA تاريخياً مجموعة من الوصلات الراديوية والتسلسلية المباشرة أو وصلات المودم لتحقيق متطلبات الاتصالات. ويشيع أيضاً استخدام الإيثرنت والبروتوكول IP/SONET، والشبكات الافتراضية الخاصة VPN. وقد تكون المنظومات SCADA قادرة على الاتصال عبر طيف واسع من الوصلات في آن واحد، مثل الألياف الضوئية أو الاتصال الهاتفي. ولكن بسبب كمية المعلومات المحدودة، فإن الخطوط الهاتفية والوصلات الراديوية تفي بالغرض.

يمكن وصل شبكة الاتصال في المنظومة SCADA وفق أحد الأشكال الهندسية الآتية: التوصيل الحلقي أو المسروي أو النجمي. وقد تضم بعض المنظمات وصلات مكرَّرة لزيادة الموثوقية.

ولما كانت المنظومة SCADA  تُصمَّم تصميماً متراصاً جداً، فإن الوحدات البعيدة لا ترسل المعلومات عبر قناة الاتصال إلى الوحدات الرئيسية إلا عند الطلب. ومن المعايير المستخدمة للاتصال في المنظومةSCADA : البروتوكول MODBUS وCAN وIEC60870 و RP570.

كما صار بالإمكان أن تعمل المنظومات SCADA على البروتوكول TCP/IP على الرغم من عدم تفضيل هذا الحل للتقليل من احتمال الهجوم على الشبكة.

التوجهات المستقبلية

يتجه مصنِّعو المنظومات الصناعية نحو الاستخدام المتزايد لبروتوكولات الاتصالات المفتوحة بدلاً من البروتوكولات الامتلاكية، مع دعم بنى الرسائل المفتوحة كما هي الحال في المسرى MODBUS. وما زال البروتوكول TCP/IP يواجه عقبة كبيرة في الدخول إلى عالم الأتمتة الصناعية، بسبب الحاجة إلى التوافق مع البئية الصناعية، وضمان الأمن. وتتجه الوحدات الطرفية البعيدة RTU إلى استخدام المتحكمات القابلة للبرمجةPLC  للتحكم في المواقع من دون أوامر الوحدات الطرفية الرئيسية.

وفي الواقع، تتعرض المنظومات SCADA لإعادة نظر في مدى جدواها، لأنها عرضة للهجمات البرمجية، وبسبب حراجة النظم التي تستخدمها. فقد تؤدي تلك الهجمات إلى خسائر اقتصادية عبر فقدان المعطيات أو التخريب المادي أو النصب والاحتيال، وقد يصل الأمر إلى الخسائر البشرية. ومن شأن هذه المخاوف استبعاد المنظومات SCADA من التطبيقات الحرجة. ومع ذلك، تتجه تلك المنظومات إلى إيجاد حلول أكثر أمناً. وما يزال كثير من متخذي القرار يفضلون استخدامها بسبب تكاليفها المنخفضة وأدائها العالي. ولضمان أمن المنظومة SCADA، يمكن استخدام الجدار الناري firewall أو العبّارات gateways لمنع بعض العنوانات IP غير المرغوب فيها. كما يمكن استخدام التوقيع الرقمي في الرسائل المرسلة إلى الوحدات الطرفية الرئيسية، إضافة إلى تعميتها، والاستيقان من المستخدمين، وحصر المخوَّلين بالنفاذ إلى النظم الحرجة.

وثمة توجه إلى مكاملة المنظوماتSCADA  مع نظم الأعمال الأخرى، مثل نظم إدارة المحتوى.

محمد نوار العوا

المحسات ـ المؤتمت الصناعي القابل للبرمجة ـ المنظومة الصناعية المحوسبة.

- DAVID BAILEY & EDWIN WRIGHT, Practical SCADA for Industry (Newnes 2003).

- D. DOLEZILEK, K. CARSON & K. LEECH, Secure SCADA and Engineering Access Communication: a case study of private and public communication link suits, 5th Annual Power Delivery (Automation Conference, USA, Apr. 2003).

- A. DANEELS & W. SALTER, What is SCADA (International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, Italy 1999).

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلد التاسع عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 718

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية