التحكم الصناعي (منظومات -)

تحكم صناعي (منظومات )

Industrial Control Systems -

التحكم الصناعي (منظومات-)

مؤنس الخطيب

منظومة التحكم الصناعي Industrial Control System (ICS) هي منظومة تشتمل على عدة أنواع من منظومات التحكم المستخدمة في الإنتاج الصناعي؛ بما في ذلك منظومة التحكم والإشراف وتحصيل المعطيات Supervisor Control And Data Acquisition (SCADA)، ومنظومة التحكم الموزع Distributed Control System (DCS)، ومنظومات التحكم ذوات التشكيل الأصغر، مثل المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة Programmable Logic Controllers (PLCs) والتي غالباً ما تكون في القطاعات الصناعية الصغيرة، وفي البنى التحتية الصناعية المساعدة.

تتحكم منظومات التحكم الصناعي في المنشآت المتوسطة والكبيرة بالاعتماد على البيانات الواردة إليها من المحطات البعيدة أتماتياً، أو بأوامر إشراف يدخلها عامل متخصص إلى أجهزة التحكم في المحطة الرئيسية مباشرة، أو عن طريق محطة وسيطة. وغالباً ما يطلق على الأجهزة العاملة في المحطات البعيدة اسم الأجهزة الميدانية field devices، تتولى هذه الأجهزة التحكم بالعمليات المحلية ومراقبتها، مثل فتح الصمامات وإغلاقها، وجمع البيانات من منظومات الحساسات، ومراقبة البيئة المحلية وشروطها من أجل التنبيه والإنذار؛ لتتخذ بعدها الإجراءات المناسبة في المحطة الرئيسية بحسب خطة العمل وإجراءات الطوارئ.

لمحة تاريخية

تطورت تقانات منظومات التحكم الصناعي على مر عقود عديدة من الزمن، وكانت القفزة النوعية عند ظهور المعالجات الصغرية microprocessors والمتحكمات الصغرية microcontrollers من 8 بتات في سبعينيات القرن العشرين، وصارت منظومات التحكم الصناعي تعتمد عليها. وتبع ذلك اعتماد معالجات ومتحكمات من 16 بتاً. غير أن ظهور الحاسوب الشخصي وتطوره أثّر تأثيراً كبيراً في تطور منظومات التحكم الصناعي وتطور طرائق المراقبة والتحكم والتصحيح والإشراف؛ فتطورت عندها النظم المعيارية للاتصال بين المحطات ولتبادل الرسائل التحكمية ولسويات الإشارات المتبادلة.

يُعدّ مصطلح منظومات التحكم الموزع DCS ومفاهيمها واستخدامها أقدم تاريخياً من منظومات التحكم والإشراف وتحصيل المعطيات «سكادا» SCADA، وبعد تطور مفاهيم منظومات التحكم الموزع أصبح بالإمكان تطبيق نظام سكادا على الجزء الرئيسي من الإشراف والمتابعة في منظومة تحكم موزع شامل يمتد على منطقة جغرافية واسعة تضم عدة منشآت، كحقول النفط التي تضم منشآت الاستخراج والتكرير والنقل وغيرها.

يوضح الجدول (1) المقارنة الأولية بين منظومة المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة ومنظومة التحكم الموزع.

خصائص منظومات التحكم الصناعي

تدعم منظومات التحكم الصناعي البنية التحتية الوطنية، وهي ضرورية لنجاح الصناعات الكبرى، مثل توليد الكهرباء وتحويلها وتوزيعها، واستخراج المياه وتنقيتها وجرها، وإنتاج الغذاء، واستخراج النفط والغاز وتكريره ونقله، وإنتاج المواد الكيميائية والصيدلانية، والاتصالات، وتصنيع المكونات والمنتجات النهائية وغير ذلك.

وإنَّ تعطل إحدى هذه الصناعات – و لو جزئياً- أو توقفها عن العمل، أو عدم الدقة في عملها؛ يمكن أن يكون له تأثير سريع ومتفاقم في البيئة وفي المجتمع، ويمكن أن يؤدي إلى تأثيرات كارثية بسبب الاعتماد المتبادل بين هذه الصناعات المهمة. ويوضح (الشكل 1) الترابط بين هذه الصناعات.

الشكل (1) ترابط البنية التحتية الوطنية المهمة.

ويمكن إعطاء أمثلة حقيقية على الترابط بين الصناعات المهمة، وتأثير تعطل أي منها أو إخفاقه في عمله، في الصناعات الأخرى ومن ثم في البيئة والمجتمع. فقد تسببت الزلازل في اليابان في آذار/مارس 2011 في انقطاع التيار الكهربائي عن محطة فوكوشيما النووية، ولم يتمكن طاقم المحطة من تشغيل مضخات مياه التبريد في أحد المفاعلات النووية، فحدثت الكارثة، وتسرب الإشعاع على نطاق واسع. كذلك حدث في عام 2012 في مدينة سان دييغو في ولاية كاليفورنيا في الولايات المتحدة الأمريكية؛ إذ أدت إحدى المناورات العسكرية إلى تشويش غير مقصود على المنظومة العالمية (الشاملة) لتحديد المواقع Global Positioning System (GPS)؛ مما تسبب في إخفاق البنية التحتية على نطاق واسع، بما فيها شبكات الهاتف المحمول ومنظومات إدارة حركة الملاحة البحرية وإشارات المرور على الطرق، وتعطل اتصالات الطوارئ (الإسعاف والإطفاء وغيرها)، وصولاً إلى التشويش على أجهزة الصرافات الآلية Automated Teller Machines (ATMs)، والتي تعتمد كلها على تقانة المنظومة العالمية لتحديد المواقع. وقد أدت هذه الأمثلة وغيرها إلى زيادة الاعتراف بأهمية منظومات التحكم الصناعي المحكمة؛ منعاً لتعرض المنشآت الصناعية لحوادث التعطل العرضية أو للأعمال التخريبية ضد المنشآت الصناعية المهمة والخطرة.

بنية منظومة تحكم صناعي نموذجية

يمكن أن يكون لتصميم منظومة التحكم الصناعي جوانب مختلفة بناء على اختلاف العمليات الصناعية المطلوبة، ولكن يمكن أن تكون لها بنية عامة مشتركة عموماً؛ كما هو موضح في (الشكل 2):

الشكل (2) البنية النموذجية لمنظومة تحكم صناعي ICS.

تشمل المكونات الرئيسية في بنية منظومة تحكم صناعي ما يلي:

- حلقة التحكم control loop، وتتألف من المشغلات actuators المؤتمتة، مثل الصمامات والمفاتيح والمبدلات والمحركات، ثم الحساسات التي تكشف عن المتغيرات المرتبطة بالعمليات الصناعية مثل درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق، وكذلك المتحكمات التي تدير المشغلات المؤتمتة بالاعتماد على قراءة الحساسات؛ وبالمقارنة بمتطلبات عملية التشغيل.

- واجهة تواصل الإنسان والآلة Human-Machine Interface (HMI) التي تسمح للمشغلين بالمراقبة والتحكم بالعمليات الصناعية والتأثير فيها وفق المتطلبات.

- مؤرخ البيانات data historian، وهو سجل الأداء الذي يسجل جميع فعاليات التحكم لإعطاء بيان متعدد المستويات عن حالة النظام.

- التشخيص من بعد remote diagnostic، وهو مجمل فعاليات التشخيص والصيانة من بعد، ويسمح لطاقم دعم منظومة التحكم الصناعي بالوصول إلى تشخيص مشاكل التشغيل وتصحيحها.

المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة PLC

هي نوع من التقانة الرقمية المستخدمة في عمليات التحكم، وهي مخصصة للمنظومات التي تعمل عملاً متقطعاً، مثل العمليات المتتابعة التي تجري دفعة واحدة، أو التي تحتوي على تجهيزات أو عناصر تحكم تعمل عملاً متقطعاً. ويمكن أن تستخدم في كثير من الأحيان عندما يكون هناك ترابط أو تشابك في العمل بين عدة أجهزة، على سبيل المثال: حلقة تحكم بالتدفق تحتوي على العديد من العناصر أو الأجهزة التي يجب أن تعمل بالتسلسل، أو يمكن أن تعمل على نحو متداخل، فلا يمكن تشغيل مضخة نهاية الحلقة قبل أن تكون مضخة البداية قد شُغِّلت، وكذلك يجب أن تكون مستويات التدفق قد استقرت عند القيم المطلوبة. فمفهوم المتحكمات المنطقية المبرمجة يستند إلى تصميم سلسلة من قرارات منطقية لتنفيذ عمليات مراقبة مجموعة من المدخلات وقراءتها وإعطاء الأوامر وفق خوارزمية محددة. في هذه الحالة تكون مداخل هذه المتحكمات PLCs هي مجموعة من نقاط توصيل تماثل الحاكمات الكهربائية relay، وتمثل حالة العديد من عناصر العملية المختلفة، أما مخارج المتحكمات فهي مجموعة من نقاط توصيل أخرى، تفعّل من قبل المتحكم PLC بحسب خوارزمية التحكم التسلسلية؛ لتشغيل مضخة أو إيقافها، أو لتفعيل لوحة إضاءة، أو لتشغيل صمام تدفق حلقي solenoid valve، أو غير ذلك.

بنية المتحكمات المنطقية المبرمجة

1- العتاد: يتألف جهاز المتحكم المنطقي المبرمج من الوحدات التالية (التي تسمى بطاقات cards أحياناً) (الشكل3):

الشكل (3) نموذج من PLC متطورة.

أ- وحدات إدخال رقمي digital input.

ب- وحدات إخراج رقمي digital output.

ج- وحدات إدخال تمثيلي analog input.

د- وحدات إخراج تمثيلي analog output.

يتبع عدد المداخل والمخارج في المتحكم المنطقي PLC حجم هذا المتحكم، وهو على شكل مجتزآت modules يمكن إضافتها بحسب الاحتياج، وبما لا يتجاوز أعداداً محددة منها لدى أغلب الشركات المصنعة للمتحكمات المنطقية.

هـ وحدة المعالجة المركزية CPU: وهي معالج أو متحكم صغري عادةً، وتمتاز من وحدة المعالجة المركزية للمتحكم PLC بقدرتها على تحمل درجات حرارة أعلى نسبياً، وذلك وفق المتطلبات الصناعية. تقوم هذه الوحدة بإدارة منظومة التشغيل الخاصة بالمتحكم المنطقي، وكذلك البرامج ومعالجة البيانات.

و- وحدة الذاكرة والتخزين memory and storage: ويمكن أن تضم أكثر من نوع من الذواكر الدائمة والمؤقتة (EEPROM, RAM, Flash, ..).

ز- وحدة (بطاقة) الاتصال communication card: ودورها تبادل المعطيات مع وحدة PLC أخرى أو مع الحاسوب الشخصي، وغالباً ما يكون الاتصال تسلسلياً، حيث توجد بوابة اتصال تسلسلية واحدة وأحياناً أكثر من بوابة. ويكون الاتصال عن طريق أحد بروتوكولات الاتصال: RS-485, RS-422, RS-232, USB، والإثرنت ethernet.

ح- وحدة الإمداد بالطاقة والبطارية الاحتياطية power supply and battery backup: وتقوم بتسلم الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي وتوزيعها توزيعاً ملائماً على جميع الوحدات السابقة بجهد وتيار مناسبين لعملها، وخاصة وحدات الإخراج التمثيلية. أما البطارية الاحتياطية؛ فتستخدم لحفظ نظام التشغيل والبرامج مدة من الوقت عند انقطاع التيار الكهربائي العام عن الموقع.

2- البرمجيات: يعمل جهاز المتحكم المنطقي القابل للبرمجة بنظام تشغيل خاص به، يقوم بترجمة البرنامج المخزّن في الذاكرة بشكل مصفوفة، أو تتابع إجراءات، ثم يقوم بتنفيذه. وثمّة أنواع رئيسية شهيرة لتمثيل البرنامج المراد كتابته للمتحكم المنطقي:

أ- المخططات السُلَّمية Ladder Diagrams (LDs): وهي تشبه مخططات الدوائر الكهربائية، وتمتاز بالبساطة.

ب- قائمة الإرشادات Instruction List (IL): وهي لغة مشابهة للغة التجميع assembly language للمعالجات الصغرية، حيث تترجم العمليات المنطقية إلى ثوابت ومتغيرات تنفذ سطراً بعد سطر.

ج- مخططات صندوقية الوظائفية Functional Block Diagrams (FBDs): وفيها تكون جميع العمليات المنطقية صناديق يمكن ربط بعضها ببعض، وبداخل كل صندوق اسم الوظيفة، وتكون المدخلات على يسار الصندوق، والمخرجات على يمينه.

د- لغة النص المركّب (البنيوي) Structured Text (ST): وهي لغة تشبه لغات البرمجة المتقدمة.

هـ- لغة المخططات الوظيفية التتابعية Sequential Function Charts (SFCs): وهي لغة بيانية تسمح بالتوصيف الوظيفي لعمليات الأتمتة وبرمجتها.

وإذا كان النظام يحتوي على العديد من المتحكمات المنطقية المبرمجة؛ فإنها تكون قادرة على التعامل مع مئات قنوات الدخل- الخرج الرقمية؛ إضافة إلى عشرات قنوات الدخل- الخرج التمثيلية وعناصر التحكم المستمرة Proportional–Integral–Derivative Controller (PID). للمتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة العديد من الميزات إلى جانب قدراتها الرقمية (الشكل 4)، مثل وجود أكثر من نوع من الذواكر الدائمة والمؤقتة، ووجود أنواع من المؤقتات المبرمجة وبوابة اتصال تسلسلية ووحدة إظهار الحالة؛ غير أنها مع ذلك تفتقر إلى المرونة في التوسع وإعادة التشكيل، وواجهة المشغل operator interface فيها محدودة للغاية. يضاف إلى ذلك أن إمكانات برمجتها باللغات عالية المستوى، وتبقى القدرة على تنفيذ خوارزميات تحكم متقدمة محدودة أيضاً. كما أن اللغات الأصلية المستخدمة لبرمجتها مثل ladder diagram وstatement list ذات قدرات محدودة نسبياً.

الشكل (4) مثال على إنجاز منظومة تحكم باستخدام PLC.

ربما لا تكون المتحكمات المنطقية المبرمجة نموذجية في عمليات التصنيع التقليدية، لكن في بعض العمليات التسلسلية والعمليات المتداخلة غير المعقدة؛ فإن إمكاناتها قوية، وتكون كذلك بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لمنظومات التحكم الموزع؛ إذ لا توجد حاجة إلى استراتيجيات معقدة للتحكم بالعملية. كما يمكن في منظومة هجينة hybrid الربط بين تقانات منظومات التحكم الموزع ومنظومة المتحكمات المنطقية المبرمجة، ويُربط عن طريق شبكة تحكم صناعية خاصة، مثل: ModBus, Profibus, CAN، أو عبر شبكات حاسوبية computer networks مثل شبكة محلية LAN عبر الإثرنت، وتسمح جميعها بربط الطرفيات الحاسوبية كافة مثل الشاشات بأنواعها والطابعات.

منظومات التحكم الموزع DCS

وهي تشير إلى منظومات موزعة وظيفياً ضمن مجموعة من الأبنية والأماكن التي يمكن أن تكون متباعدة فيزيائياً ضمن منشأة صناعية واحدة؛ ولذلك فإن منظومات التحكم الصناعي الموزعة مبنية على أساس توزع المهام بدلاً من تركيزها في موقع واحد. ولهذه المنظومات العديد من التطبيقات الصناعية والطبية، مثل التحكم المروري المتقدم، ومعامل تكرير النفط والغاز، والمفاعلات النووية، ومصانع الأدوية.

ويمكن إعطاء نموذج عام لطبقات منظومة تحكم صناعي موزعة كما في الشكل (5) الذي يدل على مســتويات التصنيع الوظيفية باســتخدام التحكــم المحوسب.

الشكل (5) طبقات منظومة تحكم صناعية موزعة.

- المستوى (0): وهو مستوى الحقل (الميدان) الذي يحتوي على أجهزة الحقل، مثل حساسات التدفق ودرجة الحرارة وعناصر التحكم النهائية، مثل صمامات التحكم.

- المستوى (1): مستوى التحكم المباشر الذي يحتوي على وحدات الإدخال والإخراج الصناعية المحيطة بالمعالجات الصغرية التي تقوم بإدارة عمل هذه الوحدات.

- المستوى (2): مستوى الإشراف على المصنع، ويحتوي على أجهزة الحواسيب الرقابية التي تقوم بجمع المعلومات من عقد المعالجات في المنظومة، وتوفر شاشات المراقبة للمشغل.

- المستوى (3): مستوى مراقبة الإنتاج الذي لا يسيطر سيطرة مباشرة على العملية، لكن يقوم بمراقبة الإنتاج مراقبة دائمة؛ ومراقبة أهداف العملية.

- المستوى (4): مستوى جدولة الإنتاج.

إن المستويين 1 و2 هما مستويا الوظيفة التقليدية لمنظومات التحكم الموزع التي تشكل جميع تجهيزاتها جزءاً من نظام متكامل في مصنع واحد. أما المستويان 3 و4؛ فلا يتحكمان بالعملية تحكماً مطلقاً، ولكن تجري هنا مراقبة الإنتاج والأهداف وجدولة العملية النهائية.

من الأهداف الرئيسية لاستخدام منظومة التحكم الموزع السماح بتطبيق خوارزميات التحكم الرقمي؛ لأن الأنظمة الرقمية هي أكثر دقة وأكثر مرونة؛ ولأن خوارزميات التحكم يمكن أن تتغير، كما يمكن تعديل تكوينات التحكم من دون الحاجة إلى تغيير تشكيل التمديدات الكهربائية للمنظومة، كما أن تكلفة صيانة النظام الرقمي أقل. يُضاف إلى ذلك أن المعطيات الرقمية المسجلة في ملفات الحواسيب المتعلقة بنواحي عملية التصنيع هي سهلة التعامل، ويمكن طباعة نتائج التشغيل أو عرضها على شاشات ملونة وتخزينها بصيغة عالية الضغط.

توصيف عناصر منظومة تحكم موزع

يوضح الشكل (6) منظومة تحكم موزع نموذجية تحوي عنصراً واحداً أو أكثر من العناصر التالية:

الشكل (6) عناصر شبكة منظومة تحكم موزع.

- وحدة تحكم محلي Local Control Unit (LCU): وهي ترمز إلى الحاسوب المحلي، وباستطاعة هذه الوحدة التعامل مع 8 إلى 16 حلقة PID مستقلة، إضافة إلى 16 حتى 32 خط دخل تمثيلي، مع 8 إلى 16 خط خرج تمثيلي، وأعداد محدودة من خطوط الدخل- الخرج الرقمية.

- وحدة تحصيل البيانات data acquisition unit: قد تحوي هذه الوحدة 2 إلى 16 ضعفاً من قنوات الدخل- الخرج التمثيلية الموجودة في وحدة التحكم المحلية، وتستطيع التعامل مع القنوات الرقمية والتمثيلية كلاً على حدة. ونموذجياً لا وظائف تحكّم في وحدة تحصيل البيانات.

- وحدة التسلسل الدفعي batch sequencing unit: هذه الوحدة تحتوي نموذجياً على الفعاليات الخارجية، مثل عدادات التواقت، ومولد وظائف التحكيم والأولوية arbitrary function generators ، ووحدة منطق داخلية.

- وحدة العرض المحلي local display unit: عادة ما توفر هذه الوحدة محطات العرض التمثيلية، ومسجلات الاتجاه التمثيلية، وأحياناً وحدة فيديو لقراءة المخرجات.

- وحدة الذاكرة الكبيرة (التخزين) bulk memory unit: تستخدم هذه الوحدة لتخزين المعطيات المعالجة واستردادها، وعادة ما تستخدم لهذه الغاية مجموعة أقراص صلبة عالية السعة.

- وحدة حاسوب الاستخدام العام general purpose computer: تبرمج برمجيات هذه الوحدة من قبل الزبون، أو من قبل طرف ثالث لأداء وظائف متطورة مثل الأمثلية optimization، والتحكم والمراقبة المسبّقة، ومنظومة خبيرة expert system.

- وحدة عرض المشغل المركزي central operator display: تحتوي هذه الوحدة عادة على طرفية (شاشة ولوحة مفاتيح) أو أكثر لتمكين المشغل من الاتصال بالمنظومة، ويمكن أن تكون وحدة عرض متعددة الألوان لعرض الرسوم وأفلام الفيديو.

- طريق المعطيات السريع data highway: وهو خط اتصال رقمي تسلسلي، يقوم بوصل جميع الأجهزة والوحدات في المنظومة بعضها ببعض، ويمكن أن يكون كبلاً محورياً coaxial cable.

تسمح معظم منظومات التحكم الصناعية التجارية الموزعة بتكرار المعطيات على طريق المعطيات السريع للحد من خطر فقدانها.

- شبكة منطقة محلية LAN: تزود شركات مصنعة عديدة أجهزتها والوحدات المستخدمة فيها بمنفذ يسمح بالاتصال بالأجهزة البعيدة عبر شبكة منطقة محلية قياسية.

حلقة التحكم في منظومات التحكم الموزع:

تبقى حلقة التحكم هي حلقة التغذية الخلفية التقليدية نفسها، ولكن مع إضافة بعض المكونات الرقمية. ويوضح الشكل (7) حلقة تحكم رقمية واحدة نموذجية، ويبدو فيها المبدل التمثيلي- الرقمي والمبدل الرقمي- التمثيلي؛ وذلك للتوافق بين الإشارات التمثيلية للحساسات ونظام الحاسوب الذي يعمل بالقيم الرقمية. كما تستخدم مكيفات الإشارة لإزالة التشويش المصاحب لإشارات الحساسات ولتنعيم إشارة المعطيات. ويمكن أن تستخدم المضخمات أيضاً لتضخيم الإشارة الصغيرة بما يناسب قناة الإشارة والعناصر الأخرى. كما تستخدم محولات الطاقة transducers لتحويل القياسات العملية إلى إشارات تمثيلية ملائمة.

الشكل (7) مكـونات حـلقة التـحكم الرقميـة.

وأكثر الإشارات التمثيلية شيوعاً هي 0-5 فولط، و4- 20 ميلي أمبير، وخاصة على خطي النقل من الحقل وإليه، تستخدم معظم أجهزة الحقل في العالم بروتوكول هارت Highway Addressable Remote Transducer (HART). وغالباً ما تدعم منظومات التحكم الموزعة الحديثة الوحدات دعماً مضاعفاً Safety Integrity Level (SIL-2) وهي منظومة السلامة والأمان المضاعفة- لضمان وثوقية المنظومة، وهذا يعني مضاعفة أجهزة المعالجة ووحدات الإدخال والإخراج. ويمكن أن يكون مستوى السلامة أعلى، كأن يكون SIL-3 مثلاً. وقد تكون المنظومة الموزعة متصلة بأجهزة الحقل مباشرة أو عبر نظام وسيط مثل سكادا.

برتوكول هـارت HART

إن بروتوكول هارت HART يعني الطريق السريع لعنونة المحول البعيد، وهو بروتوكول معياري عالمي مفتوح يستخدم على نطاق واسع - منذ بداية تسعينيات القرن العشرين- لإرسال المعلومات الرقمية واستقبالها عبر الأسلاك التمثيلية بين الأجهزة الذكية والمتحكم بها، أو نظام المضيف host system؛ باستخدام إشارة 20-4 ميلي أمبير (الشكل 8). ويمكن أن يكون المضيف جهاز تحكم محمولاً باليد من قبل فني مختص، أو حاسوباً محمولاً مثبتاً على أي منهما برمجيات المضيف المناسبة لمتابعة إجراءات التحكم وإدارة نظام الوصول وأنظمة الأمان والسلامة الصناعية.

الشكل (8) استخدام بروتوكول هارت (20-4) ميلي أمبير من الحقل وإليه.

ثمة ميزات عديدة للاتصال بين المضيف وبين الأجهزة الذكية باستخدام بروتوكول هارت، منها:

- تهيئة الجهاز configuration أو إعادة تهيئته من المضيف ومن بعد.

- تشخيص حالة الجهاز وصحة عمله.

- تصحيح الأخطاء الحاصلة في الجهاز.

- قراءة قيم القياس الإضافية المقدمة من قبل الجهاز.

منظومة التحكم والإشراف وتحصيل المعطيات سكادا SCADA

تمثل المنظومة سكادا نظام قياس وتحكم واسع النطاق، وهو حزمة برمجية متكاملة محملة فوق العتاد الصناعي. وتُعدّ تطوراً لنظم القياس من بُعد telemetry، وتقوم بجمع المعطيات الناتجة من أدوات القياس والحساسات بأنواعها ونقلها إلى وحدة تحكم مركزية، وتعمل هذه المنظومة في الزمن الحقيقي.

تشتمل منظومة سكادا غالباً على مكوِّنات تحكّم موزَّع، أو بعبارة أوضح: تكون جزءاً من منظومة تحكم موزَعة شاملة، ويكون دورها في هذه المنظومة الإشراف على عمليات المنظومة كلها ومتابعتها، ويسمح للوحدات الطرفية البعيدة - مثل المتحكمات القابلة للبرمجة - بتنفيذ عمليات منطقية بسيطة من دون تدخل الحاسوب المركزي.

تضم هذه المنظومة قاعدة معطيات موزَّعة، تحوي بيانات تسمى نقاطاً points. تمثل النقطة دخلاً أو خرجاً وحيداً للمراقبة أو للتحكم. وقد تكون هذه النقاط عتادية أو برمجية، ويُقصد بالنقطة العتادية مدخلاً فعلياً موصولاً إلى المنظومة، في حين تمثل النقطة البرمجية حاصل عملية منطقية أو حسابية مطبَّقة على نقاط عتادية أو برمجية. تسمح الحواسيب المضيفة في المنظومة سكادا برقابة المواقع البعيدة، وتجري أغلب عمليات التحكم في الموقع آلياً بوساطة الوحدات الطرفية البعيدة Remote Terminal Units (RTU)، 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 والحسّاسات وحالة التجهيزات، ومن ثَمَّ تُعاد صياغة المعطيات، وتُجمع وتُرسل إلى مشغِّل المنظومة في غرفة التحكم المركزية (الشكل 9).

الشكل (9) بنية شاملة لشبكة نظام تحكم صناعي موزع.

مكونات منظومة التحكم والإشراف وتحصيل المعطيات سكادا SCADA

عادة ما تتألف منظومة سكادا من المكونات الآتية (الشكل 10):

الشكل (10) حلول القياس والتحكم من بعد باستخدام نظام سكادا.

- الوحدات الطرفية البعيدة RTU:

تضم هذه الوحدات معالجات صغرية ومتحكمات قابلة للبرمجة، تتحكم في الحقل مباشرة من دون تدخل الوحدة الطرفية الرئيسية. وهي تخاطب الوحدة الطرفية الرئيسية عبر بروتوكول تخاطب مفتوح مثل (بروتوكول HART, MODBUS)، أو بروتوكول حصري خاص.

وتستخدم هذه الوحدات لربط الحساسات والمشغلات الآلية actuators والمبدلات switches والمضخمات الخاصة بالمعدات الحقلية بمنظومة سكادا، وتحويل الإشارات التمثيلية إلى معطيات رقمية. مع قدرتها على التحسس من بعد وإرسال المعطيات الرقمية إلى نظام الإشراف، كما يمكنها استقبال الأوامر الرقمية من نظام الإشراف وإرسالها إلى المعدات الحقلية.

ويُعدّ الإنذار جزءاً مهماً من معظم تطبيقات سكادا، وأحد أعمال الوحدات الطرفية البعيدة وفق معطيات التحكم الحقلية الآنية ونتيجة لمراقبة البيئة المحلية في الحقل. والإنذار يمكن أن يكون صوتياً أو ضوئياً أو مربعاً وامضاً منبثاً على شاشة المراقبة.

- منظومة الاتصالات والقياس من بعد telemetry and communication system:

هي مجموعة التجهيزات والوسائل والكبول والفعاليات التي تيسر عملية نقل المعطيات والبيانات وتحويلها من المصدر إلى المقصد. ونظام الاتصالات الإلكترونية هو الذي يحقق ذلك باستخدام التجهيزات، مثل المودِمات modems والمبدلات switches والراوترات (الموجهات) routers؛ إضافة إلى الكبول. ويقوم نظام الاتصالات في سكادا بربط نظام الإشراف بالوحدات الطرفية البعيدة من أجل تبادل المعطيات والأوامر وبيانات النظام الموزع .

استخدمت منظومة سكادا  تاريخياً مجموعة من الوصلات الراديوية والتسلسلية المباشرة أو وصلات المودم لتحقيق متطلبات الاتصالات. ويشيع أيضاً استخدام الإثرنت والبروتوكول IP/SONET، والشبكات الافتراضية الخاصة VPN. وقد تكون سكادا قادرة على الاتصال عن طريق طيف واسع من الوصلات في آن واحد، مثل الألياف الضوئية أو الاتصال الهاتفي، ولكن الخطوط الهاتفية والوصلات الراديوية تفي بالغرض تماماً بسبب كمية المعلومات المحدودة نسبياً.

ويمكن ربط مكونات شبكة سكادا وفق طرائق الربط الشبكية التقليدية، كالربط الحلقي أو النجمي أو على شكل مسرى. وغالباً ما تضم وصلات مكررة لزيادة الوثوقية ولضمان عدم توقف الشبكة والمنظومة. ومن المعايير المستخدمة للاتصال في سكادا: البروتوكولات MODBUS  وCAN و HART و RP570 وIEC60870 . كما يمكن أن تعمل سكادا على البروتوكول TCP/IP على الرغم من عدم تفضيل هذا الحل للتقليل من احتمال الاختراقات الأمنية نتيجة لاستخدام البروتوكول TCP/IP في شبكة الإنترنت.

- مخدمات المعطيات data servers:

يمكن أن تكون هذه المخدّمات مجموعة من الحواسيب أو حاسوباً واحداً (بحسب حجم المنظومة)، مع حزمة من البرمجيات الخدمية، وهدفها جميعاً تلبية طلبات الخدمات المرسلة عبر شبكة الاتصالات التي تربط مكونات سكادا وأجهزتها كافة، الحقلية منها والقريبة، وتضمن هذه الخدمات معالجة البيانات وتصنيفها.

- المؤرخ historian:

هو مسجل الأداء أو قاعدة معطيات المنظومة مع حزمة برمجيات الإدارة المناسبة. ومهمة المؤرخ جمع البيانات وتوثيقها وفق أزمنة حدوثها، وتشمل الأحداث وإشارات التحذير والإنذار، مع جمع المعطيات على قاعدة البيانات كسجل تاريخي (أرشيف) للاستخدامات المستقبلية ولإخراج الأشكال والرسوم البيانية عند تحليل البيانات وتقييم أداء النظام.

- حاسوب الإشراف الرئيسي super computer system:

يُعدّ حاسوب الإشــراف المكوِّن الأســاسي في منظومة سكادا. فهو الذي يبادر بالاتصال وجمع المعطيات، ويخزِّنها، ويرسلها إلى المنظومات الأخرى، ويضم واجهة للتخاطب مع المشغِّلين. يخاطب حاسوب الإشراف أيضاً بقية التجهيزات الطرفية، مثل الشاشات والطابعات وغيرها من نظم المعلومات.

يظهِر حاسوب الإشراف في منظومات سكادا المعلومات عادةً على نحو تمثيلي برسوم ثنائية أو ثلاثية الأبعاد تحاكي الواقع. ويمكن 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.

يعمل حاسوب الإشراف في منظومة سكادا بنظام تشغيل مطوَّر من طرف ثالث (مثلاً النظام UNIX)، وظهرت لاحقاً بعض الحواسيب الرئيسية التي تعتمد نظم تشغيل Windows وLinux.

وبدلاً من الاعتماد على تدخل الفني، أو تدخل حاسوب الإشراف الرئيسي يُطلب من الوحدات الطرفية البعيدة التحكم في معظم المهمات. ويقوم حاسوب الإشراف الرئيسي بإجراء تحليل للمعطيات قبل تمثيلها أمام الفني، مثل التحليل التراكمي، والتحليل الخاص بمواصفات العملية الصناعية، ويُطبِّق إجراءات الأمن على كامل المنظومة، وينبغي أن يحقق حاسوب الإشراف الرئيسي المتطلبات الأمنية الصارمة في بعض البيئات.

ولمّا كانت الكلفة الناتجة من إخفاق نظام التحكم مرتفعة جداً وجب أن يتسم حاسوب الإشراف الرئيسي في منظومة سكادا بمواصفات فيزيائية خاصة كالمتانة وتحمّل درجات الحرارة المرتفعة والاهتزازات وارتفاع الجهد. تتحقق الموثوقية في هذه المنظومات - ومن ثَمَّ في المنشآت الحرجة- بتكرار الوحدات الطرفية الرئيسية وقنوات الاتصال بحيث يمكن الاستعاضة ضمن هذا النظام عن أي مكوّن عاطل مباشرة من دون توقف العملية. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام نظام السلامة والأمان المضاعف SIL-2، أو مستوى السلامة الأعلى SIL-3 الذي يعني تكرار جميع الوحدات الحقلية والتجهيزات الوسيطة ووصلات الاتصالات وحواسيب الإشراف ثلاث مرات (الشكل 11).

الشكل (11) بنية شاملة لشبكة منظومة تحكم صناعي سكادا SCADA.

- واجهة تواصل الإنسان والآلة HMI:

هي واجهة تخاطب تتعامل مع منظومات التحكم الموزَّع. ومع قيام المتحكمات القابلة للبرمجة الموجودة في الحقل بجميع العمليات المؤتمتة، والمبرمجة سلفاً؛ فهي موزَّعة على أطراف مترامية، وهذا ما يجعل جمع المعطيات بتسلسلها الزمني عملية معقدة. وتفيد واجهة التواصل في جمع المعطيات من المتحكمات القابلة للبرمجة بوساطة شبكة الاتصال، وتقوم بصياغتها وإعادة إرسالها.

وأصبحت واجهة التواصل الآن قادرة على الارتباط بقواعد المعطيات المفتوحة، والمكتبات البرمجية (API) Application Programming Interface لتوفير معطيات التشخيص من بعد، والصيانة المجدولة والمعلومات اللوجستية، ونظام تجاوز الأخطاء. وأصبح من الممكن للفنيين تشكيل الواجهات من دون الحاجة إلى برنامج مخصَّص لذلك.

التصنيف : كهرباء وحاسوب

النوع : كهرباء وحاسوب

المجلد: المجلد السادس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

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