مفهوم التحكم الإشرافي وتجميع البيانات(SCADA)

التحكم الإشرافي وتجميع البيانات: -



1-1 مفهوم التحكم الإشرافي وتجميع البيانات(SCADA):



تطورت أنظمة التحكم الإشرافي وتجميع البيانات خلال الأربعين سنة الماضية من أنظمة مصممة لتلائم مهام معينة إلى أنظمة تعمل ضمن مواصفات قياسية يمكن تطبيقها على نطاق واسع ، ومن أنظمة تعمل بشكل منفرد إلى أنظمة تعمل على شبكة تربط عدة أنظمة لها مهام مشتركة .



إن نظام التحكم الإشرافي وتجميع البيانات SCADA[Supervisory Control And Data Acquisition] يتواجد حيثما وُجِدت أنظمة تحكم، فنظم التحكم الإشرافي وتجميع البيانات(SCADA) البدائية كانت تُجمِّع البيانات بواسطة العدادات، ولمبات البيان، ومسجلات الرسم البياني الموجودة باللوحات. ويقوم المُشغل يدوياً بالتحكم الإشرافي عن طريق تشغيل أجهزة التحكم المختلفة المُعَدَّة لذلك الشكل (1). فهذه الأجهزة كانت ولا زالت تستخدم في التحكم الإشرافي وتجميع البيانات في المؤسسات والمصانع وتوليد الطاقة الكهربية.





وهذا النوع من نظم التحكم الإشرافي وتجميع البيانات (SCADA) له المميزات التالية:


• بسيط، ولا يحتاج لمعالج أو ذاكرة دائمة أو مؤقتة أو برمجة.


• الحساسات (sensors) مُتصلة مُباشرةَ مع العدادات والمفاتيح ولمبات البيان على اللوحة.


• في أغلب الظروف تكون هذه الطريقة سهلة ورخيصة لإضافة جهاز بسيط مثل مفتاح أو عداد.



أما عُيوب هذه النظم (نظم اتصال الحساسات (sensors) مُباشرة باللوحة):


• في حالة وُجود مِئات الحساسات (sensors) تزداد كمية الأسلاك بشكل غير مقبول.


• كمية ونوعِية البيانات التي يتم تجميعها تكون قليلة وبدائية.


• صُعوبة تركيب حساسات (sensors) إضافية في حالة كِبَر حجم النظام.


• من الصعب جداً عمل تعديلات في تشغيل النظام.


• عدم إمكانية المحاكاة بإستخدام البيانات الفعلية للنظام.


• صُعوبة تَخزين وإدارة البيانات.


• عدم إمكانية مُراقبة البيانات أو الإنذارات من خارج المكان.


• صُعوبة تَواجُد شَخص طُوَال اليوم لِمُراقبة العدادات ولمبات البيان.


1-2 المبادئ الأساسية لنظام التحكم الإشرافي وتجميع البيانات (SCADA) الحديث:



في المصانع الحديثة والعمليات الصِناعَية الصغيرة المُرِيحة والآمِنة ذات الإستخدامات الخاصة والعامة غالباً ما نحتاج إلي القِياس عن بُعد(telemetry) لأجهزة وأنظمة تفصِلُها مسافات كبيرة عن بعضِها تتراوح بين أمتار قليلة إلي مِئات الكيلومِترات . فالقياس عن بُعد(telemetry) يُستخدَم لإرسال الأوامر والبرامِج واستقبال المعلومات المُراد مُراقبتها من هذه المناطق البعيدة .



إن التحكم الإشرافي وتجميع البيانات (SCADA) عِبارة عن توليفة من القياس عن بُعد(telemetry) وتجميع البيانات ، فهي تشمل تجميع البيانات وإرسالها إلي الموقع المركزي لتحليلها والتحكم فيها وعرضها على عدد من شاشات التشغيل ثُم نقل أوامِر التحكُم مرة أُخرى إلي الأجهزة التي يتم التحكم بها.






ففي أول عصور تجميع البيانات ، كان يتم استخدام المُرَحِلات (relays) للتحكُم في خطوط الإنتاج وأنظِمة المصانِع، ثُم مع تقدُم المُعالِجات والأجهِزة الإلكترونية الأُخرى أصبح المتحكِم المنطقي المبرمج (PLC) وما زال من أكثر أنظمة التحكُم انتشاراً في المصانِع . ومع الحاجة للمُراقبة والتحكُم في المزيد من الأجهزة في حالة نمو المصنع، أصبحت أجهزة المتحكم المنطقي المبرمج (PLC) مُوَزعة وأصبحت أنظمة التحكم أكثر ذكاءً وأصغر في الحجم. ويتم استخدام المتحكم المنطقي المبرمج (PLC) وأنظمة التحكُم المُوزعة (DCS) "Distributed Control Systems” كما هو موضح بالشكل (2)و الشكل (3).

 مميزات نظام التحكم الإشرافي وتجميع البيانات (SCADA) باستخدام المتحكم المنطقي المبرمج (PLC) وأنظمة التحكم المُوزعة (DCS):


• يقوم الحاسب بتسجيل وتخزين كميات كبيرة من البيانات .


• إمكانية عرض البيانات بأي طريقة يطلُبها المُستخدِم.


• إمكانية توصيل آلاف الحساسات(sensors) على نطاق واسع للنظام.


• من الممكن قيام المُشغِل بالمُحاكاة باستخدام البيانات الحقيقية للنظام .


• مُعظم البيانات يُمكن جمعها باستخدام وحدات تحكم طرفية RTU (Remote Terminal Units) .


• يمكن رؤية البيانات من أكثر من مكان داخل وخارج الموقع.


• تأمين التحكم المحلي أو المركزي باستخدام صفحات واضحة ومختصرة وقابلة للتحجيم أو التنقل بين الصفحات.


• إضافة أزرار تحكم لهذه الصفحات للقيام بوظيفة واحدة أو عدة وظائف.


• تصميم حركات مميزة تدل على حالة العمل والحالة التي هي عليه في المصنع.


• إظهار رسائل نصية أو رسومية لإظهار حالة سير العملية أو حالة الإنذار .


• تعيين أوامر من لوحة المفاتيح تخص كل الصفحات أو صفحة محددة.


• المراقبة والتحكم والدخول وإظهار كل حالات الإنذار وبعدة أشكال.


• تأمين مراقبة الأداء والمردود كما هو باستخدام المنحنيات البيانية (Trends) وسجلات المعلومات.


• إعطاء تقارير زمنية (دورية) وتقارير مقيّدة بالأحداث على شكل ملفات نصية.


• مراقبة جودة الإنتاج عن طريق سهولة قراءة البيانات الإحصائية لسير العملية الإنتاجية .


• تطوير طبقات متعددة للسرية التي تخوِّل شخص بعينه للدخول للنظام لمستوى يختلف عن غيره.


• تبادل المعلومات التي تجري على أرض المصنع مع أماكن عمل أخرى من أجل تحليل البيانات أو معالجة البريد ( E-Mail ) أو للتحكم وتعديل النظام.


 عُيوب هذه الطريقة:


• أصبح النظام مُعقد للغاية مُقارنة ً بنظام الحساسات(sensors) المُتصلة مباشرةً باللوحة.


• نحتاج لمسارات مختلفة لتشغيل النظام مثل مُحلِل النظم والمبرمج.


• في حالة وجود آلاف الحساسات(sensors) ما تزال توجد كمية كبيرة من الأسلاك.


• المُشغل يستطيع رؤية البيانات فقط وهو بعيد عن المتحكم المبرمج المنطقي (PLC) أي لا يتعامل مع أجهزة الحقل مباشرة.



ثم مع زيادة الطلب على أنظمة أكثر ذكاءً وأقل حجماً صُممت الحساسات(sensors) لتكون بذكاء المُتحكم المُبرمج المنطقي (PLC) وأنظمة التحكم الموزعة (DCS). هذه النوعية من الحساسات (sensors) تُسمى الأجهزة الإلكترونية الذكية (Intelligent Electronic Devices) IED)) وتُوَصل على قضيب الحقل (fieldbus) وتعمل مع البرتوكولات Profibus أوDevicenet أو Foundation Fieldbus إلي الحاسب الشكل(3). وهي على درجة كافية من الذكاء لتجميع البيانات والإتصال مع الأجهزة الأخرى والمحافظة على دورِها في البرنامج الكُلي. وكلاً من هذه الحساسات الشديدة الذكاء IED) ) لديها أكثر من حساس على نفس اللوحة وهى تجمع ما بين الحساسات التناظرية للدخل والخرج وكذلك التحكم التناسُبي التكامُلي التفاضُلي (PID) ونظام اتصالات وذاكرة للبرنامج في نفس الجهاز.




 مميزات نظام ربط الأجهزة الإلكترونية الذكية (IED) بالحاسب عن طريق قضيب الحقل (field bus):


• تقليل كمية الأسلاك المُستخدمة.


• البيانات المُستقبَلة من الأجهزة الإلكترونية الذكية(IED) من الممكن أن تتضمن معلومات مثل :رقم المسلسل , رقم الموديل , في أي وقت تم تركيبة , وبواسطة مَن .


• كل الأجهزة تكون بطريقة رَكِب وشَغِل(plug and play) مما يعني سُهولة التركيب والإحلال .


• الأجهزة تكون ذات حجم أقل مما يُوفِر في حجم نظام تجميع البيانات.


 عُيوب هذه الطريقة:


• يحتاج هذا النظام المُتطور إلي مُوظفين مُدربين جيداً.


• ثمن الحساسات (sensors) يكون غالي، ولكن يُعوِض عدم وجود مُتحكِم مبرمج منطقي (PLC).


• الأجهزة الإلكترونية الذكية(IED) تعتمد أكثر على نظام الإتصالات .






1-3 توصيلات التحكم الإشرافي وتجميع البيانات: Landlines for SCADA



في حالة إستخدام الأجهزة الإلكترونية الذكية (IED) مع الحاسب تكون كمية الأسلاك أقل، ولكن عادةً ما يكون هناك كم من الأسلاك في نظام التحكم الإشرافي وتجميع البيانات (SCADA) الكبير ، هذا العدد الكبير من الأسلاك يجلب معه مشاكل عديدة أهمها الضوضاء الكهربية (electrical noise) والتداخُل(Interference) .






فالضوضاء الكهربية (electrical noise) والتداخُل (Interference) يُعتبران من العوامل المهمة التي يجب أن تُؤخذ في الإعتبار في تصميم وتركيب نظام الإتصالات مع إعتبارات خاصة مطلوبة لتجنب التداخل (Interference)، ويُمكن تعريف التداخل (Interference) على أنه إشارات عشوائية مُتولِدة غير مرغوبة تَفِد أو تتداخل مع الإشارات الأصلية المرغوبة . وتدخل الضوضاء(noise) إلي الكبل أو إلي السلك بطُرق عديدة وعلى المُصمم تطوير نظام يحتوي على أقل ضوضاء (noise) ممكن من البداية . ونظراً لأن أنظمة التحكم الإشرافي وتجميع البيانات(SCADA) تستخدم جهود صغيرة فإنها تكون سريعة التأثر بالضوضاء (noise).






يُعتبر استخدام السلك المُزدوج المجدول ذو الواقي (shielded) مطلوباً في مُعظم النُظم , فاستخدام أسلاك جيدة وتِقنيات تركيب صحيحة يجعل النظام لا يتأثر بقدر المُستطاع بالضوضاء (noise) .






لقد اكتسب كابل الألياف الضوئية (Fiber optic cable) شعبية , لأن لديه مناعة أو حصانة ضد الضوضاء (noise) لذلك فإن معظم التركيبات تستخدم ألياف ضوئية (Fiber optic) ولكن في بعض المناطق الصناعية تُستَخدم ألياف بلاستيك(plastic fibers) بشكل أكثر .