مقدمة في التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA) للمبتدئين

يساعد SCADA المؤسسات الصناعية في الحفاظ على الكفاءة ، والإبلاغ عن مشكلات النظام للتخفيف من وقت التعطل ، ومعالجة البيانات لاتخاذ قرارات أكثر ذكاءً.

تستخدم العديد من المنشآت الصناعية والمواقع البعيدة وأرضيات التصنيع للاعتماد على الأفراد لمراقبة المعدات الكهربائية يدويًا والتحكم فيها يدويًا من خلال الأقراص التناظرية وأزرار الضغط.

منذ أن بدأت المواقع البعيدة والأرضيات الصناعية في التوسع ، احتاجوا إلى حلول أفضل للتحكم في معداتهم الكهربائية من مسافات طويلة. بدأت بعض المنظمات في استخدام أجهزة ضبط الوقت والمرحلات لتقديم مستوى أفضل من التحكم الإشرافي.

على الرغم من أن أجهزة ضبط الوقت والمرحلات تحل مشكلات كبيرة ، إلا أنها توفر وظائف أتمتة محدودة. مرة أخرى ، كان من الصعب تكوين أجهزة ضبط الوقت والمرحلات. احتلت لوحات التحكم واكتشاف الأخطاء مساحة أكبر. ومن ثم ، بدأت تظهر المزيد من القضايا.

تم تقديم تقنية- 'SCADA'- لحل هذه الأنواع من القضايا.

يساعد ظهور PLCs والمعالجات الدقيقة أثناء بدء SCADA المؤسسات على مراقبة العمليات الآلية والتحكم فيها أكثر من ذي قبل.

في هذه المقالة ، سأناقش SCADA واستخداماته وميزاته ومكوناته وأنواعه والمزيد.

لنبدأ!

ما هو SCADA؟

يعد التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA) نوعًا من التطبيقات التي تسمح للصناعات بالتحكم في عملياتها الصناعية ، مثل جمع البيانات من المواقع البعيدة في الوقت الفعلي للتحكم في ظروف المعدات. يوفر العديد من الأدوات اللازمة لنشر القرارات المستندة إلى البيانات في الوقت الفعلي.

حل SCADA العديد من عمليات المراقبة والتحكم الصناعية منذ السبعينيات.

في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، تبنى SCADA تغييرًا عن طريق الاستيلاء على بنية نظام مفتوح بالإضافة إلى بروتوكولات الاتصال ، والتي ليست خاصة بالمورد. استفاد هذا من تقنيات الاتصال مثل Ethernet ، والتي سمحت للأنظمة بالتواصل مع البائعين الآخرين ، مما رفع القيود في أنظمة SCADA القديمة.

تسمح أنظمة SCADA الحديثة للأرضيات الصناعية بالوصول إلى البيانات في الوقت الفعلي من أي مكان في العالم. يتيح هذا الوصول للشركات والأفراد والحكومات اتخاذ قرارات أفضل بشأن كيفية تعزيز عملياتهم. سيكون من المستحيل جمع بيانات كافية بدون برنامج SCADA.

بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع برنامج مصمم SCADA الحديث بإمكانيات تطوير التطبيقات السريعة (RAD). يتيح ذلك للمستخدمين تصميم التطبيقات بسهولة حتى مع عدم وجود معرفة كاملة بتطوير البرامج.

أدى إدخال ممارسات ومعايير تكنولوجيا المعلومات الحديثة ، مثل التطبيقات المستندة إلى الويب و SQL في برنامج SCADA إلى تحسين الأمان والموثوقية والإنتاجية والكفاءة لأنظمة SCADA.

الميزة الكبيرة لاستخدام قواعد بيانات SQL هي أنه يجعل عملية الدمج في أنظمة تخطيط موارد المؤسسات (ERP) و MES أسهل ، مما يسمح للبيانات بالتدفق عبر المؤسسة بأكملها بسلاسة.

وبالتالي ، فإن SCADA هو نظام من عناصر الأجهزة والبرامج التي تتيح للمؤسسات الصناعية:

• التحكم في العمليات الصناعية في المواقع البعيدة أو محليًا
• مراقبة وجمع ومعالجة البيانات في الوقت الحقيقي
• التفاعل مباشرة مع الأجهزة ، مثل المضخات والصمامات وأجهزة الاستشعار والمحركات وغير ذلك ، من خلال واجهة الإنسان للآلة (برنامج HMI)
• سجل جميع الأحداث في ملف السجل

تبدأ أساسيات بنيته بوحدات طرفية بعيدة (RTUs) ووحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLCs). هذان هما الحواسيب الصغيرة التي تتواصل مع مجموعة واسعة من الكائنات ، مثل المستشعرات والأجهزة الطرفية و HMIs وآلات المصنع. تقوم وحدات RTU و PLC بتوجيه البيانات من الكائنات إلى أجهزة الكمبيوتر باستخدام برنامج SCADA.

ومع ذلك ، يقوم برنامج SCADA بمعالجة البيانات وعرضها وتوزيعها ، مما يساعد الموظفين والمشغلين على تحليل المعلومات واتخاذ قرارات مهمة.

على سبيل المثال ، يتعامل نظام SCADA بسرعة مع المشغل فيما يتعلق بمجموعة من المنتجات التي تظهر أخطاء. يقوم المشغل بإيقاف العملية مؤقتًا وعرض بيانات النظام من خلال HMI وتحديد سبب المشكلة. ثم يراجع المشغل المعلومات ويكتشف أن الجهاز 4 لا يعمل.

بهذه الطريقة يساعد نظام SCADA المشغل في تحديد المشكلة وحلها في الوقت المناسب ومنع المزيد من الخسارة.

مكونات نظام SCADA

تحتوي أنظمة SCADA على مكونات مختلفة يتم نشرها في الميدان لجمع البيانات في الوقت الفعلي. هذه المكونات تمكن من جمع البيانات وتعزيز الأتمتة الصناعية.

دعونا نناقش كل مكون بالتفصيل.

# 1. أجهزة الاستشعار والمحركات

المستشعر هو جهاز أو نظام يكتشف وظائف الإدخال من العمليات الصناعية. المشغل هو جهاز يتحكم في آلية العمليات الصناعية. تعمل المستشعرات مثل المقياس أو المقياس الذي يعرض حالة الجهاز.

يعمل المشغل مثل قرص أو تحكم أو مفتاح يمكن استخدامه للتحكم في الجهاز. كلاهما يتم مراقبتهما والتحكم فيهما بواسطة وحدات التحكم الميدانية SCADA.

# 2. وحدات تحكم مجال SCADA

تتفاعل وحدات التحكم الميدانية مباشرة مع المشغلات وأجهزة الاستشعار. هناك فئتان في هذا:

1. تتفاعل وحدات القياس عن بُعد (RTUs) مع أجهزة استشعار لجمع بيانات القياس عن بُعد ثم إعادة توجيهها إلى نظام أساسي للإجراء التالي.
2. تتفاعل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) مع المشغلات للحفاظ على العمليات الصناعية والتحكم فيها بناءً على القياس الحالي عن بُعد الذي تجمعه وحدات RTU.

# 3. أجهزة الكمبيوتر الإشرافية SCADA

تتحكم أجهزة الكمبيوتر الإشرافية في جميع العمليات المتعلقة بـ SCADA. يتم استخدامها لجمع البيانات من الأجهزة الميدانية وإرسال الأوامر إلى الأجهزة من أجل التحكم في العمليات الصناعية.

# 4. برنامج HMI

يوفر هذا البرنامج نظامًا يؤكد ويعرض البيانات من أجهزة SCADA الميدانية. كما أنها تمكن المشغلين من فهم وتعديل حالة العمليات التي يتحكم فيها SCADA.

# 5. البنية التحتية للاتصالات

تسمح البنية التحتية للاتصالات لأنظمة SCADA الإشرافية بالتواصل مع وحدات التحكم الميدانية والأجهزة الميدانية. يتيح ذلك أيضًا لأنظمة SCADA جمع البيانات من الأجهزة الميدانية والتحكم في هذه الأجهزة.

ميزات أنظمة SCADA

تتضمن أنظمة SCADA ميزات خاصة لتطبيقات أو صناعات محددة ، وتدعم معظم الأنظمة الميزات التالية:

• الحصول على البيانات: هو أساس لأنظمة SCADA حيث تقوم المستشعرات بجمع البيانات وتقديمها إلى وحدات التحكم الميدانية. في المقابل ، تقوم وحدات التحكم الميدانية بتغذية البيانات إلى أجهزة كمبيوتر SCADA.
• التحكم عن بعد: يتم تحقيقه عن طريق التحكم في المشغلات الميدانية ، والذي يعتمد على البيانات التي تم جمعها من أجهزة الاستشعار الميدانية.
• اتصال البيانات الشبكي: يسمح لجميع وظائف SCADA. يتم إرسال البيانات التي تم جمعها من أجهزة الاستشعار إلى وحدات التحكم الميدانية SCADA ، والتي تتواصل بعد ذلك مع أجهزة الكمبيوتر الإشرافية SCADA. يتم إرسال أمر التحكم عن بعد مرة أخرى إلى المشغلات من أجهزة الكمبيوتر الإشرافية.

• عرض البيانات: يتم تحقيقه من خلال HMIs التي تمثل البيانات الحالية والتاريخية التي يحتاجها المشغلون لتشغيل نظام SCADA.
• الإنذار: ينبه المشغلين بالظروف الهامة في نظام SCADA. يمكن تهيئته بسهولة لإعلام المشغلين عند حظر العمليات أو فشل بعض الأنظمة أو الحاجة إلى إيقاف أو بدء أو تعديل جوانب أخرى.
• البيانات في الوقت الفعلي والبيانات التاريخية: كلاهما جزء أساسي من نظام SCADA. سيمكن هذا المستخدمين من تتبع أداء السيناريو الحالي مقابل الاتجاهات السابقة.
• إعداد التقارير: يتضمن ذلك تقارير عن أداء العملية وحالة النظام والتقارير المخصصة لاستخدامات محددة.

عمل سكادا

تؤدي أنظمة SCADA بعض الوظائف ، بما في ذلك الحصول على البيانات ، واتصال البيانات ، وتقديم المعلومات / البيانات ، والمراقبة / التحكم. يتم تنفيذ هذه الوظائف بواسطة مكونات SCADA ، مثل المستشعرات ووحدات RTU ووحدات التحكم وشبكة الاتصالات وما إلى ذلك.

تُستخدم المستشعرات لجمع البيانات الأساسية ، وتُستخدم وحدات RTU لإرسال هذه البيانات إلى وحدة التحكم لعرض حالة النظام. وفقًا للحالة ، يعطي المستخدم الأمر لمكونات أخرى لأداء وظيفتها. تقوم شبكة الاتصالات بهذه الوظيفة.

هنا ، سنناقش كل وظيفة لفهم مبدأ عمل أنظمة SCADA.

اقتناء البيانات

يتكون نظام SCADA في الوقت الفعلي من العديد من أجهزة الاستشعار والمكونات لجمع المعلومات وإرسال البيانات لمزيد من المعالجة.

على سبيل المثال ، تقيس بعض المستشعرات تدفق المياه من الخزان إلى خزان المياه ، بينما تقيس المستشعرات الأخرى الضغط عند إطلاق الماء من الخزان. هنا تكتسب المستشعرات أنواعًا مختلفة من البيانات لفهم ما إذا كانت جميع العمليات تسير بسلاسة.

اتصالات البيانات

تستخدم أنظمة SCADA شبكة سلكية لجمع البيانات ونقلها بين المستخدمين والأجهزة. تستخدم تطبيقات SCADA في الوقت الفعلي مكونات وأجهزة استشعار يتم التحكم فيها عن بُعد. كما تستخدم اتصالات الإنترنت. نظرًا لأن المرحلات وأجهزة الاستشعار غير قادرة على الاتصال ، تُستخدم وحدات RTU لتوصيل واجهات الشبكة وأجهزة الاستشعار.

عرض بيانات

تتكون الشبكات العادية من مؤشرات يمكن رؤيتها من أجل التحكم. في تطبيقات SCADA في الوقت الفعلي ، هناك الكثير من الإنذارات وأجهزة الاستشعار التي يستحيل إدارتها في وقت واحد. يستخدم نظام SCADA HMI لتقديم جميع البيانات التي تم جمعها من أجهزة استشعار مختلفة.

الرصد والمراقبة

يستخدم نظام SCADA مفاتيح مختلفة لتشغيل الأجهزة ويعرض حالة المنطقة التي يتم التحكم فيها. يمكن تشغيل / إيقاف أي جزء من المحطة باستخدام هذه المفاتيح. يتم تنفيذ تطبيق SCADA للعمل تلقائيًا دون أي تدخل بشري. فقط في المواقف الحرجة سيتم التعامل معها من قبل الإنسان.

أنواع سكادا

يتم تصنيف أنظمة SCADA إلى أربعة أنواع ، بما في ذلك أنظمة SCADA المتجانسة وأنظمة SCADA الموزعة وأنظمة SCADA الشبكية وأنظمة IoT SCADA.

# 1. أنظمة SCADA متجانسة

تُعرف أنظمة SCADA المبكرة أو من الجيل الأول باسم أنظمة Monolithic SCADA. في هذا ، يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر الصغيرة. يمكن تطوير أنظمة SCADA المتجانسة عندما لا تتوفر خدمة شبكة مشتركة. تصميم هذا النظام يشبه النظام المستقل ، مما يعني أن تصميم أحد الأنظمة لا يحتاج إلى أن يكون مرتبطًا بنظام آخر.

يمكن جمع البيانات من RTUs باستخدام حاسب مركزي احتياطي. تقتصر الوظيفة الحاسمة لأنظمة الجيل الأول على عمليات الإبلاغ ومراقبة أجهزة الاستشعار.

# 2. أنظمة SCADA الموزعة

تسمى أنظمة SCADA الموزعة أيضًا أنظمة الجيل الثاني. يتم توزيع وظائف التحكم عبر أنظمة مختلفة من خلال الاتصال بشبكة LAN. يتم تنفيذ عمليات التحكم عن طريق معالجة الأوامر ومشاركة البيانات في الوقت الفعلي.

في هذا النظام ، يتم تقليل تكلفة وحجم كل محطة ، ولكن لا توجد بروتوكولات شبكة متسقة.

# 3. أنظمة SCADA الشبكية

تُعرف أنظمة SCADA المتصلة بالشبكة باسم أنظمة الجيل الثالث. تعمل شبكة الاتصالات لأنظمة SCADA الحالية عبر نظام WAN عبر الهواتف أو خطوط البيانات.

يتم نقل البيانات بين العقد باستخدام اتصالات الألياف الضوئية أو إيثرنت. يستخدم هذا PLC لضبط عمليات الإبلاغ ومراقبتها والتحكم فيها بمجرد الضرورة.

# 4. أنظمة IoT SCADA

تُعرف أنظمة IoT SCADA بأنظمة الجيل الرابع. هنا ، يتم تقليل تكلفة البنية التحتية للنظام من خلال تنفيذ إنترنت الأشياء عبر الحوسبة السحابية. يعد تكامل هذه الأنظمة وصيانتها أسهل من غيرها.

في نظام الوقت الفعلي ، يمكن الإبلاغ عن حالة المكونات أو الأجهزة بسهولة من خلال الحوسبة السحابية.

فوائد SCADA

فوائد أنظمة SCADA هي كما يلي:

• قابلية التوسع: أنظمة SCADA الحديثة قابلة للتطوير لعدة أسباب ، مثل التوافر الأفضل للبرامج والأجهزة المدعومة ، واستخدام الحوسبة السحابية من أجل تلبية طلب عبء العمل ، وما إلى ذلك.
• قابلية التشغيل البيني: لا تعتمد أنظمة SCADA الحديثة على البرامج والأجهزة الاحتكارية ، مما يؤدي إلى عدم تقييد البائع.
• الاتصالات: يدعم SCADA بروتوكولات الاتصالات الحديثة التي تتيح إمكانية وصول أكبر إلى ضوابط وبيانات Scada.
• الدعم: يتم دعم أنظمة SCADA الحديثة بشكل جيد من قبل البائعين. إن استخدام معايير الشبكات المفتوحة ، ومنصات تطوير البرامج الحديثة ، والأجهزة التجارية الجاهزة ، يجعل البائعين الخارجيين أكثر سهولة أيضًا.

حدود SCADA

فيما يلي بعض قيود نظام SCADA:

• تأتي مع وحدات أجهزة معقدة ووحدات مستقلة.
• تحتاج إلى مبرمجين ومشغلين مهرة ومحللين للصيانة.
• تكلفة التركيب عالية.
• يتكهن الكثيرون بأن SCADA يمكن أن يساعد في زيادة معدل البطالة.

حالات استخدام SCADA

يستخدم SCADA في العديد من الطوابق الصناعية للمساعدة في إدارة وأتمتة العمليات والأغراض الصناعية لأن هذه العمليات أصبحت معقدة ومرهقة للتحكم والمراقبة البشرية.

يعد SCADA مفيدًا للعمليات التي يمكن التحكم فيها ومراقبتها عن بُعد ، لا سيما في الحالة التي يكون فيها من الممكن تمامًا تقليل النفايات وتعزيز الكفاءة.

فيما يلي أمثلة الصناعة الشائعة لأتمتة SCADA:

• عمليات تكرير النفط والغاز
• توليد الكهرباء وتوزيعها
• التصنيع الكيميائي
• البنية التحتية للاتصالات
• التصنيع والعمليات ذات الصلة
• البنية التحتية للنقل والشحن
• البنى التحتية للمرافق ، مثل التحكم في المياه والنفايات
• تجهيز الأغذية والمشروبات

بمساعدة تقنية SCADA ، يمكن تتبع هذه العمليات عن كثب والتحكم فيها بشكل صحيح لتحسين الأداء بمرور الوقت. تؤدي الأنظمة الفعالة إلى توفير كبير في المال والوقت.

العالم الحديث يستخدم أنظمة SCADA من نوع ما. يمكن أن تكون بعض الأمثلة - الحفاظ على أنظمة التبريد ، وضمان سلامة الإنتاج في المصفاة ، والحصول على معايير الجودة في محطة معالجة مياه الصرف الصحي ، وتتبع استخدام الطاقة في منزلك ، والمزيد.

كيفية تنفيذ حل SCADA

يجب مراعاة هذه الخطوات المهمة أثناء تنفيذ نظام SCADA:

• حدد ما تريد مراقبته بوضوح وافهمه
• حدد نوع البيانات التي تريد جمعها وكيف
• أضف بوابات للانضمام إلى نقاط جمع البيانات الحديثة
• قم بإنشاء نقاط جمع البيانات إذا لزم الأمر
• مركزة البيانات إلى موقع المراقبة الذي تريده
• بيانات الخريطة في تطبيق SCADA الذي تختاره
• أضف تصورات الضوابط وعمليات البيانات
• تحديد القواعد والأتمتة

بمجرد الانتهاء من كل شيء ، يعتني برنامج SCADA بالباقي. يساعدك على التفاعل مع المنشأة ، وتنبيه المشكلات ، وإبلاغ الصيانة التنبؤية ، وتوفير التحكم في المعدات.

استنتاج

يوفر SCADA طريقة فعالة للتحكم في العمليات والبيانات الصناعية وإدارتها واكتشاف مشكلات النظام والإبلاغ عنها من أجل التثبيت السريع. لذلك ، بدلاً من القيام بكل شيء يدويًا أو إضاعة الوقت والمال ، يمكنك أتمتة هذه العمليات باستخدام نظام SCADA.

يتم تنفيذ SCADA بأهداف محددة. لذلك ، عندما ترغب في تنفيذه في شركتك ، حدد احتياجاتك وأتمتة العمليات وفقًا لذلك.