التحكم الإشرافي وتحصيل البيانات Supervisory control and data acquisition (أواختصاراً سكادا SCADA، هومصطلح يشير إلى أنظمة التحكم الصناعي، وهي نظام حاسوبي للمراقبة والتحكم في العمليات، وتتغير طبيعة هذه العمليات طبقا للأنظمة المعدة لها.

مقدمة

لتبسيط نظام سكادا وكيفية نشوءه فإننا يفترض أن نتدرج بطرح الأمثلة علها تكون مريحة في فهم هذا النظام. فرضا حتى لدينا دارة كهربائية بسيطة تتألف من مفتاح ومصباح كما في الشكل التالي:

هذه الدائرة البسيطة تتيح للعامل مراقبة حالة المفتاح فيفهم من خلالها فيما إذا كان المفتاح في حالة تشغيل أوإيقاف، وذلك اعتمادًا على حالة المصباح. وفي مثال آخر إذا كان المصباح مرتبط مع دارة تغذية محرك فإن المصباحقد يكون دلالة على حالة عمل المحرك فيما إذا كان متوقف أويدور وإلى الآن ليس هناك شيء يخص نظام سكادا سوى المراقبة والآن تخيل حتى المصباح والمفتاح هما على بعد 100 كم عن مكان وجودك، فمن الواضح بأننا لا نستطيع إيجاد دائرة كهربائية بهذا الطول تمتد على هذا المجال فسيكون لدينا معضلة في عملية المراقبة والآن سنقوم بتعقيد هذه المسألة أكثر حيث فرضا حتى لدينا 2000 دائرة من هذا الشكل عندها لن نستطيع تأمين 2000 دائرة اتصال ولعل أحدًا ما يقول بأنه يمكننا استخدام دائرة اتصال واحدة بالتشارك بينها جميعًا عندها علينا أولا حتى نرسل حالة الدارة الأولى ثم نرسل حالة الدائرة الثانية إلى غير ذلك وعلينا حتى نحدد أي دائرة من هذه أل 2000 دائرة تقوم بإرسال معلومات عن حالتها ولحد الآن المشكلة مقبولة الحل فإذا ما انتقلنا إلى الجانب الآخر فإننا سنجد ذلك العامل المسكين يقابل معضلة في مراقبة هذه المعلومات وفهمها حيث عليه مراقبة 2000 دائرة من خلال المعلومات وشفقة به سنبسط له المهمة باستخدام كمبيوتر أوحاسب حيث حتى الحاسب أوالكمبيوتر سيراقب جميع هذه الدوائر ويتيح للعامل مراقبة دائرة واحدة في وقت واحد دون غيرها من الدوائر إذا الحاسب سيخبر العامل فيما إذا كانت الدائرة في حالة عمل طبيعية أوحتى هناك خطر ما عليها، أي حتى الحاسب هنا سيراقب جميع الدوائر ويفهم العامل بحالة إنذار لدائرة ما عندما تتعرض لها.

والآن يمكن لبعض الدوائر حتى تحوي على معلومات تشابهية مستمرة على سبيل المثال: رقم يشير على مستوى الماء في خزان ما، في هذه الحالة فإن الكمبيوتر يجب حتى يفهم مسبقًا بأعظم قيمة وأصغر قيمة للمستوى حتى يعتبر حتى الحالة طبيعية وعندما تتجاوز القيمة هذا المجال فإن الكمبيوتر سيعتبر أنه يمر في حالة خطر وبالتالي سينذر العامل بها. والآن لنطور هذا النظام أكثر حيث نتيح للكمبيوتر إمكانية عرض هذه المعلومات بشكل رسومي يشير على حالة أجزاء النظام وعن تدرجها.

ولكن في الحقيقة ان نظام سكادا اكثر تعقيدا حيث ان هناك في النظام اماكن مخصصة للمعلومات التشابهية وأخرى للرقمية فمثلا في نظام ضخ مواد من مكان لآخر علينا أولا فتح الصمامات ثم إعطاء الأمر بتشغيل المضخة هذا التتابع بالعمل يجب حتى يمثَّل بنظام سكادا بشكلٍ واضح، وعند حدوث خلل في أحد المراحل سيقوم نظام سكادا باعطاء تنبيه بحدوث خلل كي يصار إلى معالجته. وبإمكان الحاسب إذا يلخِّص ويظهر المعلومات التي وردت إليه ورسم منحنيات توضح القيم التشابهية للمعلومات الواردة على فترة زمنية محددة. وعليه أيضًا حتى يقوم بجمع المعلومات ويلخصها في تقرير يصدر لمدير النظام يوضح فيه سير العمل وبشكل دوري في فترات محددة.

مفهوم نظام سكادا في عمليات التحكم

نظام سكادا هونظام يقوم بتجميع البيانات من الحساسات المتوضعة في نظام التحكم وإرسالها إلى الحاسب الرئيسي لغرض الإدارة والتحكم والمراقبة. هوأحد البرامج التطبيقية المستخدمة من أجل عمليات التحكم التي يتم بها تجميع البيانات في الوقت الحقيقي من أماكن بعيدة لمراقبة التجهيزات والظروف المحيطة وبنفس الوقت التحكم بها.

أمثلة على الاستخدام

إن نظام سكادا واسع التطبيق حيث أنه بمثابة مظلة واسعة تنضوي تحتها حلول لمدى واسع من المشاكل على سبيل المثال وليس الحصر نذكر:

• العمليات الصناعية بكامل اختلافاتها، من تصنيع، وإنتاج، وتوليد كهرباء، وتكرير..
• البنى التحتية، كمعالجة المياه، وتوزيعها، وخطوط أنابيب البترول، وخطوط توزيع الكهرباء، وأنظمة الإتصالات الكبيرة.
• التطبيقات الزراعية وأنظمة الري الحديثة.

مكونات نظام سكادا

يضم نظام سكادا قسمين من التجهيزات البرمجيات والتجهيزات المادية، وتقوم التجهيزات المادية بتجميع البيانات من المحطات المتنوعة وذلك بارتباطها بالمتحسسات الموجودة على المعدات وارسالها عن طريق نظام الاتصال الى مركز سيطرة يحتوي على الحواسيب التي تحمل البرمجيات والاخير بدوره يقوم بمعالجة البيانات وتمثيلها وعرضها على شكل رسوميات لكي يتمكن المستخدم من مراقبتها وكذلك اتخاذ القرارات بأدخال وحدات الى العمل اوأخراجها وحسب الضرورة. وبصورة عامة يتكون نظام سكادا من اربعة مراحل بصورة تسلسلية من المحطات المتنوعة حتى مركز السيطرة هي:

1. فترة تجميع البيانات وتتكون من وحدات (RTU&DAS) وتكون مرتبطة بالاجهزة مباشرة عن طريق الحساسات.

2. وحدة الاتصال بين محطات التجميع ومراكز السيطرة والوسط المستخدم لنقل المعلومات.

3. مراكز السيطرة والتي تحوي الحواسيب وبرامج السيطرة.

4. وحدات عرض المعلومات: لعرض المعلومات بعد معالجتها وبيات موقف المعدات من العمل.

منظومة تجميع البيانات

نظام تجميع البيانات: ويعني نظام تجميع المعلومات وهوتعبير عن كابينة تحتوي على مجموعة نقاط ربط خاصة بمعلومات الخطوط والمحولات في المحطة وتربط بقابلوات تحتوي على مجموعة اسلاك وبالتالي يتم ربط هذه النقاط الى جهاز نقل المعلومات RTU.

ويمكن تقسيم المعلومات الخاصة بالمحطة والتي يتم نقلها الى جهاز نقل المعلومات (RTU) ومن ثم الى مركز السيطرة كما يلي:

• اشارات تحدد وضعية قواطع الدورة والفواصل في المحطة (Digital Data) من حيث حالة الغلق والفتح ونأخذها من relay وأشارات الحماية للخطوط والمحولات مثلا أشارة مناولة البعد ومناولة الغلق الذاتي ومحسسات حرارة الزيت ومناولة الارض وغيرها.
• قراءات الفولتية والتيار والقدرة الحقيقية والقدرة الخيالية (Analogue Data) وتؤخذ من مقاييس محولات القدرة (Transducer).
• اشارات ( ميكاواط – ساعة ) الخاصة بفهم كمية الانتاج والصرف في (Accumulator Data) وحدات التوليد والمحولات وتؤخذ على شكل نبضات من مقاييس الكيلوواط – ساعة وبعد ان يتم تجميع هذه النبضات في جهاز نقل المعلومات (RTU) يقوم بأرسالها بصورة دقيقة جدا في نهاية جميع ساعة الى مراكز السيطرة.
• أشارات التحكم في غلق وفتح قواطع الدورة الخاصة بالخطوط والمحولات والباص كوبلر وأشارة التحكم في حمل وخفض مستوى الفولتية في المحولات لمحطات 400 كيلوفولت حيث يتم استلام هذه الأشارات عبر جهاز نقل المعلومات من مركز السيطرة وتوصل الى كابينة نظام تجميع المعلومات لغرض ربطها الى مناولات ثانوية وملفات خاصةبغلق وفتح قواطع الدورة في المحطة.

وحدات التحكم الطرفية

وحدة التحكم الطرفية، وهوجهاز نقل المعلومات يقوم بتجميع المعلومات من الوحدات المتنوعة وارسالها الى مراكز السيطرة. تتكون وحدة التحكم الطرفية من وحدة معالجة للمعلومات CPU ومصدر للقدرة وذاكرة لخزن المعلومات اثناء التعامل معها ووحدات ادخال واخراج للاشارات سواء كانت رقمية أومتصلة ويتصل بالمتحكم المنطقي عن طريق كيبل RS232 أوRS485 ويتصل كذلك بحاسوب لعرض البيانات عن طريق كيبل ضوئي

يتم ربط المعلومات التي يتم تجميعها في كابينة الداس الى جهاز نقل المعلومات في المحطة(الار تي يو) لغرض تجميعها ونقلها الى الحاسبة في مركز السيطرة والتحكم من خلال وسائط الاتصالات المتوفرة بينهما والتي تكون سلكية اولاسلكية وبسرع مختلفة تتراوح بين ( 50 الى اكثر من 9600 ) بود والذي يعهد ب ( نبضة /ثانية ). وتعتبر اجهزة نقل المعلومات أحدى المفاصل الرئيسية لمراكز السيطرة حيث بدونها لايتحقق المفهوم الخاص بالتشغيل الكفوء والامثل للمنظومة الكهربائية حيث الكم الواسع من البيانات التي تنقل الى مركز السيطرة تؤدي الى تحسين في كفاءة المنظومة في مجالات عديدة قد تكون احصائية اوتخطيط للمستقبل وغيرها.

أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة

البنية التحتية للاتصالات

يشير مصطلح شبكة إلى وجود تشبيك بين جهازين أوأكثر لغرض التشارك بالمعلومات وتمرير البيانات بين الاجهزة المرتبطة بالشبكة.وتستخدم شبكات الاتصال في منظومة سكادا للمشاركة وتمرير المعلومات بين:

• المجسات وأجهزة المتحكمات المنطية المعروفة باسم PLC
• أجهزة ال PLC المتنوعة
• أجهزة ال PLC والحاسوب لغرض عرض وتنظيم ومعالجة البيانات

وفي منظومات سكادا الموسعة تسخدم شبكات الاتصال بين اجهزة السيطرة في مستويات مختلفة قد تكون في مركز السيطرة وكذلك في مراكز الاشراف وفي مراحل تجميع البيانات داخل المحطات المتنوعة.

قد يحدث الربط بين اجهزة المنظومة على شكل شبكة محلية والمعروفة بأسم (LAN)وتمتد لمسافات محدودة اوشبكة موسعة والمعروفة بأسم (WAN) وتكون عبر مسافات ابعد وهي تعبير عن عدة شبكات محلية (LANs)مربوطة مع بعضها.

نقل المعلومات من ال(RTU) الى مراكز السيطرة بطريقتين:

• الطريقة السلكية.
• الطريقة اللاسلكية.

- الطريقة السلكية وذلك باستخدام أنواع مختلفة من الاسلاك لنقل المعلومات ومنها:

• أسلاك نقل القدرة (PLC:power line carrier) تستخدم أجهزة PLC طريقة ارسال الاشارات على شكل شفرة رقمية لاغراض السيطرة البعيدة ونقل المعلومات وذلك لتحقيق درجة عالية من الوثوقية في نقل المعلومات وتتراوح سرعة الارسال بين 50 بود، 2400 بود بت/ث. حيث يتم تحويل المعلومات التي تم تجميعها الى موجات مضمنة تحمل على خطوط النقل.

• الكيبل: وهوالكيبل العادي المستخدم في نقل الاشارات الكهربائية.

• الكيبل الطائر: وهوكيبل خاص لنقل اشارات السيطرة يستخدم في منظومات سكادا ويكون معزولا بشكل محكم بحيث يحافظ على الاشارة من الضوضاء والحث اذا كان بجانب خطوط الضغط العالي.

• الألياف البصرية: وهوالكيبل الضوئي الذي ينقل المعلومات على شكل موجات ضوئية وبسرعة عالية جداً.

- الطريقة اللاسلكية: وفي هذه الطريقة يتم نقل المعلومات من (RTU) الى مركز السيطرة الرئيسي على شكل موجات في الفضاء دون الحاجة الى الاسلاك وقد تكون الموجات راديوية اوميكروويف وتوجد اجهزة ارسال واستقبال لبث هذة الموجات عن طريق الساتل.

قد يحدث هناك مراكز فرعية تسيطر على المحطات في مناطق محدودة تستلم المعلومات منها وتعالجها وترسل بدورها هذه البيانات الى المركز الرئيسي.

وهناك ثلاث انواع من الاتصال اللاسلكي بين ال(RTU) ومراكز السيطرة وهي:

10 من نقطة-نقطة: وهي طريقة اتصال بين محطتين فقط مثلا بين RTU ومركز السيطرة وكل وحدة تبث وتستلم المعلومات من الاخرى

2- عدة نقاط:- وفي هذه الطريقة يتم تبادل المعلومات بين مركز السيطرة مع جميع محطة ثانوية بصورة منفردة واذا تطلب الامر تبادل المعلومات بين محطة ثانوية واخرى فهنا لابد انقد يكون بينهما ارتباط من نوع الاول (point to point).

3- Relay station: وتستخدم هذه الطريقة طالما كون بعض المحطات تقع لمسافات بعيدة وخارج منطقة التغطية لذلك تقوم المحطات الثانوية باستلام المعلومات ثم تخزينها وبعد ذلك بثها من حديث بترداد قوية لضمان وصولها الى مركز السيطرة دون ضياع في طاقة الموجات.

وهناك طريقة اخرى لهذا النوع من الاتصال وهي باستخدام مضاعفات للاشارة المرسلة والمعروفة بأسم (Repeater).

ومن الجدير بالذكر ان هناك ثلاث شروط للتوافق بين مراكز السيطرة ووحدات ال(RTU) لكي يتم الاتصال هي:

• Baud rate: سرعة نقل البيانات
• RTU number: رقم الار تي يو
• Link address: العنوان الخاص بالاتصال

مراكز السيطرة

مراكز السيطرة، وهي المحطة النهائية لمنظومة سكادا والتي تحتوي على الحواسيب وأجهزة الخادمات التي تحمل البرامج المسؤولة عن تجميع البيانات وترتيبها وعرضها على حاسبات العرض ومعالجتها وارجاع أوامر السيطرة الى وحدات ال(RTU) عند الضرورة وبصورة عامة فان مراكز السيطرة تحتوي على ما يلي:

• التجهيزات المادية والمتمثلة بالحاسبات والسيرفرات والطابعات وغيرها
• البرمجيات والمتمثلة بانظمة التشغيل التي تدير العمليات .

وأهم خصائص البرمجيات الموجودة في مراكز السيطرة في التعامل مع البيانات القادمة من مختلف المحطات:

1 - تأمين التحكم المحلي أوالمركزي باستخدام صفحات واضحة ومختصرة وقابلة للتحجيم أوالتنقل بين الصفحات.

2- إضافة أزرار تحكم لهذه الصفحات للقيام بوظيفة واحدة أوعدة وظائف.

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

4- إظهار رسائل نصية أورسومية لإظهار حالة سير العملية أوحالة الإنذار.

5- تعيين أوامر من لوحة المفاتيح تخص جميع الصفحات أوصفحة محددة.

6- المراقبة والتحكم والدخول وإظهار جميع حالات الإنذار وبعدة أشكال.

7- تأمين مراقبة الأداء والمردود كما هوباستخدام المنحنيات البيانية(trends)وسجلات المعلومات.

8- إعطاء تقارير زمنية (دورية) وتقارير مقادة بالأحداث على شكل ملفات نصية.

9- التشبيك والاتصال مع المتحكمات المنطقية PLC وال RTU ووحدات الادخال والخرج الكثيرة واعطاء سماحية ووثوقية عالية للنظام.

تفاعل الآلات والبشر

معالجة أجهزة التنبيه

معالجة البيانات

إن ما يميز نظام التحكم والمراقبة سكادا هوهيكليته الفريدة التي من خلالها نستطيع حتى نقوم بعملية تحصيل البيانات ومعالجتها وذلك من خلال عدد كبير من أجهزة الدخل/الخرج التي يمكن حتى تأخذ أشكال متباينة في كيفية تشبيكها لتقدم لنا مع مخدمات متنوعة ومتخصصة في أغراض متنوعة، هذه كلها تشكِّل لنا نظامًا متينًا يقوم بتحصيل بيانات ويساعد في إجراءات التحكم واتخاذ القرارات.

تتلخص وظيفة السيرفرات والحواسيب الموجودة في مراكز السيطرة بالمهام التالية:

I/O -1- وهي التي تتعامل وتهيئ جميع الاتصالات مع أجهزة الدخل والخرج.

Alarm -2- وهي تراقب جميع حالات الإنذار سواء كانت تشابهية أم رقمية.

Reports -3:- وهي التحكم وجدولة وإصدار جميع التقارير حول عمليات التشغيل.

Trends -4:- ومهمتها تجميع وتدوين وإصدار منحنيات معبرة.

Display -5:- وهي التي تمثِّل قابلة التخاطب بين العامل والنظام، وهي تتخاطب مع جميع المهام التي قبلها جميعًا من أجل إظهار آخر المعلومات الجديدة وتطبيق الأوامر.

وهذه المهام تتوزع على السيرفرات المتنوعة بحيث يختص جميع سيرفر(server) بوظائف معينة ويشارك بالمعلومات بعد معالجتها مع بقية السيرفرات وتعتمد هيكيلية النظام على فكرة مخدمات رئيسية مع طرفيات تدعى بالزبائن وهذا ما يعهد ب(client-server) بمعنى انقد يكون احد الحواسيب اوالمعالجات مزود للشبكة (سيرفر) والاخر زبون(كلينت) ويتميز المزود بانه مصدر يجهز المعلومات عند الطلب بينما يقوم الزبون فقط باصدار طلبات لتحصيل المعلومات من السيرفرات والاخير يستجيب للطلب حالا وكلا حسب المهمة الموكلة اليه وعلية لدينا خمسة انواع من السيرفرات هي:

• communications with I/O Devices
• Monitoring Of Alarm Conditions
• Report type output
• Trending
• user display

هذا التقسيم بالمهام للمخدمات هوما يعطي النظام القوة والاستقرار حيث حتى أي خلل في أحد السيرفرات لايؤثر في عمل الاخر.فمثلا يقوم السيرفر I/O بالاتصال مع اجهزة الخل والخرج نيابة عن بقية السيرفرات ويسمى بالمخدم الرئيس وبقية السيرفرات زبائن لديه ويقوم مخدم الانذار بتجميع البيانات وترتيبها بعد ان يطلبها من السيرفر الرئيسي (I/o server) وفي حال صدور لائحة بحالات الانذار فان مخدم العرض (display server) يفترض أن يطلب عناوين هذه البيانات من مخدم الانذار ليقوم باظهارها للمستخدم وعندما يهم باظهارها يفترض أن يطلبها من مخدم I/O الرئيسي وسيستجيب الاخير فورا ويرسل المعلومات الى مخدم العرض.

إلى غير ذلك مع بقية المخدمات بحيث يطلب جميع سيرفر المعلومات التي يحتاجها في مهمته من السيرفر المزود له ويقوم السيرفر المزود بتجهيز البيانات المطلوبة للزبون وكل هذه التفاصيل تحدد اثناء البرمجة الاولية للنظام بحيث تحدد واجبات جميع سيرفر فيما اذا كان مزودا اوزبونا وكذلك تبين جميع المهمات المنوطة بالسيرفرات.

كل ما قيل عن السيرفرات هوكلام يخص المهمات التي تقوم بها والان لنسمي السيرفرات الموجودة في مراكز السيطرة في منظومات توزيع الطاقة الكهربائية والتي تؤدي الوظائف التي ذكرت اعلاه ويمكن توضيح الهاردوير.

وثوقية النظام

ويعني وجود اجهزة احتياطية مستعده للدخول للعمل طالما حصول فشل في الاجهزة الاساسية ويطلق على وثوقية النظام ب(Redundancy) وهوعلى ثلاث انواع:

1- الاحتياط (spare) ويعني وجود جهاز احتياطي خارج العمل يدخل للعمل طالما فشل الجهاز الاساسي.

2-المشاركة (shared) وتعني وجود اكثر من جهاز يعملان في نفس الوقت ويقومان باخذ المعلومات من نفس المصدر.

3- الاحتياطي الفعال (hot-standby) ويعني وجود جهاز احتياطي وداخل للعمل ياخد المعلومات بنفس الوقت الذي يتعامل معها الجهاز الاساسي ولكنه لا ياخذ حيز الفعالية إلا اذا فشل النظام الأساسي.

البرمجة

الدمج التجاري

تطوير عمارة سكادا

قضايا الأمن

انظر أيضاً

• DNP3
• IEC 60870
• EPICS

المصادر

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع SCADA.

• UK SCADA security guidelines
• BBC NEWS | Technology | Spies 'infiltrate US power grid'