لمحة عن نظام scada

[علاء مازن]

ماهو نظام SCADA :
هو نظام يقوم بتجميع البيانات من الحساسات المتوضعة في نظام التحكم وإرسالها إلى الحاسب الرئيسي لغرض الإدارة و المراقبة.
وبتعريف آخر: هو أحد البرامج التطبيقية المستخدمة من أجل عمليات التحكم
التي يتم بها تجميع البيانات في الوقت الحقيقي من أماكن بعيدة لمراقبة التجهيزات و الظروف المحيطة وبنفس الوقت التحكم بها.
ونظام SCADA يضم قسمين من التجهيزات Hardware وآخر Software,
حيث أن تجهيزات Hardware هي التجهيزات التي تجمع المعلومات وترسلها إلى حاسب يحوي
مسبقاً على البرمجية الخاصة بالـ SCADA (Software) ثم يقوم الحاسب بمعالجة هذه المعلومات وتمثيلها و عرضها للمستخدم لقراءتها واتخاذ القرار بشأنها,
وغالباً ما يقترن استخدام نظام SCADA مع المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة PLC حيث أن PLC هنا يمثل المتحكم الذي يقوم بتنظيم المعلومات وإرسالها
إلى نظام SCADA وتنفيذ الأوامر القادمة من مدير نظام .SCADA
وإن نظام SCADA هو نظام واسع التطبيق حيث أنه بمثابة مظلة واسعة تنضوي تحتها حلول لمدى واسع من المشاكل الصناعية
ي مجالات صناعية واسعة, على سبيل المثال وليس الحصر نذكر: توليد الطاقة الكهربائية,
ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية, وأنظمة التحكم بالبيئات, والتحكم بإشارات المرور, ومحطات معالجة المياه, وأنظمة النقل العامة, وأنظمة الإنتاج في المصانع




إمكانيات نظام SCADA :
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 و الحالة التي 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 و التحكم و الدخول و إظهار كل حالات الإنذار و بعدة أشكال.
تأمين مراقبة الأداء و المردود كما هو باستخدام المنحنيات البيانية (Trends) وسجلات المعلومات.
إعطاء تقارير زمنية (دورية) وتقارير مقادة بالأحداث على شكل ملفات نصية.
مراقبة جودة الإنتاج عن طريق سهولة قراءة البيانات الإحصائية لسير العملية الإنتاجية.
تطوير طبقات متعددة للسرية التي تخول شخص بعينة 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 نظامك.



الأمور القياسية لتصميم نظام SCADA :
إتباع الخواص القياسية يحافظ الاستقرار والقوة للتصميم وعلى وضوحه,
فالقوة والوضوح سيقلل من زمن تطوير التصميم, ويقلل من زمن تعلم العامل على النظام فعليك اختيار
مكان مناسب في الشاشة لكل أزرار التحكم ولوحة المفاتيح وألوان قياسية أو موحدة لإظهار نفس النوع من الإشارات.
إن استخدام تسميات ذات معنى للصفحات والمتحولات واستخدام الأسماء القياسية سوف:
يقلل من زمن البحث في قاعدة البيانات.
يقلل من زمن إدخال المعلومات.
يقلل الزمن والجهد في تغيير أو تطوير النظام.


بنية نظام SCADA :
إن ما يميز نظام التحكم والمراقبة SCADA هو هيكليته الفريدة التي من خلالها نستطيع أن نقوم بعملية تحصيل البيانات و معالجتها وذلك من
خلال عدد كبير من أجهزة الدخل/الخرج التي يمكن أن تأخذ أشكال متباينة في
طريقة تشبيكها لتقدم لنا مع مخدمات متنوعة ومتخصصة في أغراض متنوعة, هذه كلها تشمل لنا نظاماً متيناً يقوم بتحصيل بيانات
ويساعد في إجراءات التحكم واتخاذ القرارات التي بدورها تكون لصالح العملية الإنتاجية برمتها.
ولنأتي الآن على توضيح هذه الهيكلية المتميزة حيث أنها تعتمد على فكرة مخدمات رئيسية مع طرفيات تدعى بالزبائن
Client-Server Architecture
حيث أن كل بنية Client-Server سوف يكون لها قواعد في التخاطب و الملائمة Interface تختلف
عن زوج آخر وذلك حسب المهمة الموكلة لهذا الزوج.ولدينا خمس مخدمات وهي:
Communications with I/O Devices, Monitoring Of Alarm Conditions,
Report type output, Trending, and user display.
هذا التقسيم بالمهام هو ما يعطي النظام القوة والاستقرار حيث أن أي خلل في أحد Servers لا يؤثر على الآخر
مع العلم أنه بإمكاننا ربط مخدمات Servers)) احتياطية لكلٍ من الأنواع السابقة وذلك لزيادة الوثوقية للنظام.

ولكن هذا لا يمنع من قيام Server واحد بكل هذه المهام معاً,
وذلك ما يحدد عند إعداد وتشكيل نظام SCADA فمثلاً: نظام I/O Server تكزن مهمته إجراء الاتصال مع أجهزة
الدخل/الخرج نيابةً عن مخدمات أخرى,
وتجاوزاً يمكن تسميته بالمخدم الرئيس واعتبار أن المخدمات الأخرى هي زبائن لديه.

حيث أن مخدم الإنذار Alarm Server يجمع ويرتب المعلومات الخامية بعد أن يطلبها من مخدم I/O Server,
وفي حال صدور لائحة بحالات الإنذار فإن مخدم العرض Display Server سوف يطلب عناوين هذه البيانات من مخدم
الإنذار ليقوم بإظهارها للمستخدم.

وعندما يهم بإظهارها فإنه سوف يطلب هذه المعلومات المحددة من مخدم I/O, عندها سوف يستجيب له I/O Server بتجميع هذه البيانات وتوجيهها
وإرسالها إلى Display Client ليقوم بعرضها.

وكذلك فإن مخدمات Trends and Report Servers تعمل بنفس الطريقة
التي يعمل بها I/O مع Alarm Server لتؤمن المعلومات لزبائنها.

وفي الحقيقة فإن Report Server هو زبون لدى
Alarm Server وTrends Server عندها سيقوم بجمع البيانات من هذين المخدمين لإصدار التقارير
وكل حسب المعلومات المتوفرة لديه والمسؤول عنها.
وإن الخدمات قد صممت لتدعم زبائن متعددة, فإن إضافة زبائن جديدة للعرض هو أمرٌ بسيط لا يحتاج سوى إلى بضع نقرات على الماوس وذلك ضمن
PC الجديد المخصص لهذه المهمة دون أن يحدث أي تدخل أو تعارض مع النظام القائم لأنه سوف يرتبط مع Server
المناسب لمهمته, وكما هو وارد في الشكل السابق فإننا
قد استخدمنا كبل خاص
في الترابط يدعى VDN وهو الكبل المشترك بين Servers أي أنه صلة الوصل بينها وكذلك مع زبائن العرض.
ولفعالية أكبر لخط VDNأن يمتد عبر شبكة LAN أي تم وصله إلى شبكة محلية أوسع بدون أن يخسر مهمته الأساسية.


المرونة في بنية نظام SCADA :
المرونة في توزيع المهام Flexibility:
في بداية تصميم النظام ستقسم مهمة النظام ككل إلى خمسة مهام منفصلة:
I/O:وهي التي تتعامل و تهيئ كل الاتصالات مع أجهزة الدخل و الخرج.
Alarm: وهي تراقب كل حالات الإنذار سواءً كانت تشابهية أو رقمية.
Reports: وهي التحكم و جدولة و إصدار كل التقارير حول عمليات التشغيل.
Trends: ومهمتها تجميع وتدوين و إصدار كل التقارير حول عمليات التشغيل.
Display: وهي التي تمثل واجهة التخاطب بين العامل والنظام,
وهي تتخاطب مع المهام التي قبلها جميعاً من أجل إظهار آخر المعلومات الجديدة وتنفيذ الأوامر.

كذلك نستطيع أن نخصص
حاسب مركزي كمزود للبيانات أي بمعنى أنه مسؤول عن قاعدة البيانات المركزية عندما نقوم باستخدام شبكة أنظمة Networked Systems,
من الواضح أن وجود قاعدة بيانات واسعة محلية له فائدة عظيمة,
حيث أنه إجراء تغيير في مكان واحد أي قاعدة البيانات المركزية سيغنيك عن إجراء تغييرات في أكثر من قاعدة بيانات,
فبشكل أوتوماتيكي سيتم تحديث هذه البيانات في أي مكان كانت مرتبطة معها.
وإذا أردت إجراء تغييرات في حاسب ما لوحده دون التأثير في قاعدة البيانات
الرئيسية فسيكون بإمكانك عمل ذلك, وكذلك بإمكانك القيام بهذين التأثيرين معاً فالأمر اختياري بالنسبة لك.
بهذا التكوين الذي شرحناه أصبح من الممكن البدء بنظام SCADA صغير بإمكانه أن يكبر ويتشعب ليقوم بالأداء المطلوب منه أي بمعنى آخر تقسيم المهام
بين المخدّمات وإنشاء قاعدة بيانات
مشتركة يتيح لنا زيادة الزبائن التابعة لكل
مخدّم وذلك حسب درجة تعقيد النظام.


المرونة في زيادة حجم النظام:
وهي تعني القوة في التحكم بحجم هذا النظام سواءً في الزيادة أو النقصان بدون الحاجة إلى تعديل Hardware أو Software
القائم في النظام. وهذه القوة عائدة لكون التصميم يعتمد على وجود مخدم زبون Server-Client مما يسمح لنا بإعادة توزيع المهام كلما أضفنا
حاسب جديد إلى هذا النظام ولنأخذ على سبيل المثال:
أننا احتجنا إلى HMI أخرى ثانية فكل ما علينا فعله هو إضافة خط شبكة LAN وحاسب جديد وتهيئته كمخدم عرض Client Display
وهذا الحاسب الجديد بإمكانه مشاركة زبون العرض الأول بإعدادات
وبمعلومات الدخل/الخرج.
ومن فوائد إضافة مخدم / زبون ثانٍ هو توزيع العمل على كليهما فمثلاً: إذا كنت ترى أن
الحاسب الأول مشغول دائماً وهذا يعود إلى حجم عمليات المعالجة التي يقوم بها فإنك سوف تبدع بإضافة حاسب ثانٍ يتحمل جزء من المهام نيابةً عن الأول.
حيث أنه يمكن أن يبدأ النظام بسيطاً ثم يكبر بدون إحداث تغير في الإعدادات فلإضافة محطات جديدة يمكن فقط توصيل الحاسب بالشبكة المحلية LAN
ومن ثم تحديد مهمته في النظام وتلقائياً سوف يقوم بمهمته


وثوقية النظام:
في أتمتة المصانع وخاصة في المراحل الحرجة في عملة التصنيع فإن حدوث انهيار في التجهيزات Hardware
يقود إلى خسائر كبيرة في الإنتاج مما يدخل العملية في مرحلة خطر, أما استخدامنا لنظام مؤتمت يعتمد على بيئة نظام SCADA
فإنه لا يسمح بحدوث فشل في أي مكان من النظام وبالتالي لا خسائر في المهام أو في الأداء وبالتالي بالمال, وهذا يأتي من كون نظام SCADA
يدعم وجود تجهيزات احتياطية مستعدة للدخول في النظام مكان التجهيزات الأصلية أو الأساسية بشكل فوري.
فمثلاً: في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية فإن حدوث انهيار في Server ما من النظام سوف لن يمنعنا عن متابعة المراقبة والتحكم
في هذه الشبكة والتي في زمن قصير جداً يمكن أن تصاب بأعطال
مفاجئة وما لذلك من تأثير على كل النواحي الاقتصادية المعتمدة عليها.
فبمجرد تعريفنا لجهاز على أنه احتياطي (Standby) وآخر على أنه أساسي فإن نظام SCADA الكامل سيبدل بشكل آلي من واحد إلى الآخر عند حدوث حالات
انهيار حيث أننا
سنقوم بإعطاء النقطة المرجعية
التي ستتم عنده عملية التبديل.

ولزيادة مقدار الوثوقية في العمل فإن حدوث انقطاع في كابلات الشبكة والتعرض للضجيج الكهربائي والذي لا يمكن توقعه, هي من المشاكل الشائعة في أنظمة الاتصالات,
لذلك سيكون بمقدورنا استخدام مجموعتين منفصلتين من كابلات التوصيل (تعمل بشكل منفصل) وهذا لكل جهاز دخل/خرج باستخدام
هاتين المجموعتين من الكابلات سيكون بمقدورنا تخفيض احتمالات فقدان خطوط الاتصالات وبالتالي تأثر عملية التشغيل برمتها.
تستخدم معظم أنظمة SCADA شبكات LANS لتوصيل أجزائها لكن بعض الأشياء البسيطة مثل عيب في أحد بطاقات الشبكة يمكن أن يضر بالاتصال.
وإن استخدامنا نظام SCADA يتيح لنا دعم متعدد للشبكات وكل ما علينا عمله هو إعداد خطي شبكة LAN أو أكثر فعند انهيار أو حدوث
خلل في الخط LAN1 فإن نظام SCADA سيحاول الارتباط بالخط LAN2 بشكل آلي دون أن يحتاج إلى إعدادات خاصة.


كما أن احتمال تعرض ملفات المخدم للخلل هو أمر غالباً ما يحدث لكن على برمجية SCADA تدعم تعددية أماكن تخزين الملفات حيث أنه
إذا حصل خلل في Server الملفات فإن نظام SCADA سوف يتابع عمله دون تأثر.
هذه البنية التي يقوم عليها نظام SCADA سوف تؤمن مستوى أمان ووثوقية منقطعة النظير وكل مهام نظام
SCADA: Report وDisplay وTrends وAlarm I/O يمكن أن تكون موضع تشارك من قبل حواسيب أخرى في النظام وهذا يسمح
لنا بتوزيع مهام Server على حاسبين في نفس الوقت حيث يكون الأول هو الأساسي والثاني يكون الاحتياطي. إذا
انهار الأساسي فإن الاحتياطي من المفترض أن يتابع عمل الأول دون انقطاع ودون أي خسارة في البيانات.
وفي حال غياب الأساسي فإن الزبائن وبشكل آلي سوف تتحول إلى Server الاحتياطي(البديل) وعندما يصبح Server
الأساسي جاهزاً فإنه سوف يستعيد مكانه بشكل سلس دون حدوث أي انقطاعات في النظام وكأنه لم يخرج منه.
وعلى اعتبار أن المهام مختلفة عن بعضها فإن نظام SCADA يمكنك من وضع استراتيجيات لضمان سير كل مهمة بدون توقف
أي يوجد حاسب بديل احتياطي لكل حاسب سواءً كان Alarm Server أوTrend Server.


إمكانية الوصول البعيد:
لأن برمجية Scada التي ستعتمد لدينا تؤمن إمكانية الوصول البعيد عن طريق شبكة الإنترنت وذلك من حاسب PC أو Laptop
عند استخدام الإنترنت فإن من الأشياء الهامة جداً هي السرية والأمان العالي.
مخدمات الإنترنت تستعمل جدران
حماية متقدمة وتشفّر بكلمات مرور لتأكيد سرية الدخول على الإنترنت فالدخول إلى نظام
SCADA بكلمة مرور خاطئة أو برقم خاص لهذا الزبون لا يتناسب

وإن دخولنا عبر الإنترنت سوف يتيح لنا التشغيل الكامل حيث يمكننا استعراض البيانات الآنية وتغيير القيم المرجعية حتى أنه يمكننا من الاستعلام عن حالات الإنذار,
وإن سرعة تحديث البيانات تعتمد على سرعة اتصالنا بالإنترنت وهذا كله لا يحتاج سوى بضع ثوانٍ مع بعض النقرات على الماوس لإجراء الاتصال.
عملية الاتصال:
عليك للاتصال بالإنترنت تشغيل Client Internet ثم توصيل الحاسب Server إلى الشبكة مع وضع وتأمين كلمة مرور ولن تشعر سوى
أنك تعيش مع نظامك تماماً حيث أن Internet Client سيقوم بتحميل الصفحات لديه وتحديثها بشكل
دوري فيما أنت ستعمل على هذه الصفحات المخزنة وكأنك تعمل عن قرب معها.
وبخلاف تطبيقات HTML فإن Internet Client يأخذ الصفحات الرسومية الحقيقية للمشروع من Server
المخدم ويؤمن لنا التشغيل الكامل للنظام
وطبعاً سوف يعتمد مقدا
الزمن المطلوب لتخزين صفحاتك الرسومية على عدد هذه الصفحات وعلى غناها بالرسومات وحالما يتم تخزين هذه الصفحات فإن
Internet Client سيستخدم بروتوكولي TCP/IP شبكة الإنترنت لتحديد معلومات هذه الصفحات.
التزامن الآلي (الأوتوماتيكي):
إن برمجية Citect هذه تقارن بشكل آلي تاريخ الملف الموجود في ذاكرة Internet Client مع نظيراتها على المخدم وإذا ما وجدت اختلافات بين
هذه الملفات فإنه سيصار
إلى تحميلها إلى الزبون Client


الترابط مع أجهزة الدخل/خرج:
باستخدام Modems قياسية فإنه يمكننا الارتباط مع أجهزة الدخل/خرج بطريقة فعالة من أماكن بعيدة وبتكلفة قليلة.



بهذه الطريقة سيصبح بإمكاننا إجراء الاتصال مع أكثر من 255 جهاز I/O مخدم Servers لدعم التطبيقات التي فيها مئات الآلاف
من النقاط وهذا متاح عبر تقنيتي PSTN (PUPLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORKED) و .MICROWAVE LINK
كما هو مبين في الشكل السابق. ولتخفيض تكلفة الاتصال فإنه بإمكان نظام Citect SCADA الاتصال مع أجهزة I/O
عندما يطلب المستخدم ذلك حيث أنها ستقوم بتبادل المعلومات وعند الانتهاء ستقطع الاتصال مباشرةً وبشكل آلي.
ولكون أن SCADA Citect يعتمد على بروتوكولات الاتصال التسلسلية الشائعة فإن هذا يؤمن لنا المرونة في الاتصال مع أجهزة
PLC أو RTU (Remote Terminal Unit) على اختلاف أنواعها.
والشيء الذي يجب ذكره
في هذا المجال هو صون حالة الإنذار في وقت لم تكن فيه متصلة بأجهزة الدخل/خرج عندها سيكون هناك المقدرة لهذه الأجهزة بالاتصال مع Server
وإعلامه بحالة الخطر وعند الانتهاء سيتم قطع الاتصال.
كما أن هذه الميزة المفيدة جداً تكون متاحة أيضاً للمخدم الاحتياطي عندما يتم التبديل بينهما ولن يتم تطاير المعلومات ولن يحدث أي تكرار لها بين هذه المخدمات.

[Hazem Abdallah]

مشكور اخ علاء على الموضوع