מהי מערכת SCADA: אדריכלות והעבודה שלה

מספר גדול של תהליכים מתרחשים במפעלים תעשייתיים גדולים. כל תהליך שעליך לפקח הוא מורכב מאוד מכיוון שכל מכונה נותנת את התפוקה השונה. מערכת SCADA נהגה לאסוף נתונים מחיישנים ומכשירים הממוקמים באזורים מרוחקים. לאחר מכן המחשב מעבד נתונים אלה ומציג אותם במהירות. מערכת SCADA אוספת את המידע (כמו שהתרחשה דליפה בצינור) ומעבירה את המידע חזרה למערכת תוך מתן התראות על כך שדליפה התרחשה ומציגה את המידע בצורה הגיונית ומסודרת. מערכת SCADA נהגה לרוץ במערכות הפעלה DOS ו- UNIX. כל התהליך הזה ידוע בשם אוטומציה . מאמר זה דן בסקירה כללית של מערכת SCADA.

מהי מערכת SCADA?

SCADA מייצג בקרה פיקוחית ורכישת נתונים. זהו סוג של תוכנת יישום תוכנה לבקרת תהליכים. SCADA היא מערכת בקרה מרכזית המורכבת מ בקרים ממשקי רשת, קלט / פלט, ציוד תקשורת ותוכנה. מערכות SCADA משמשות לניטור ובקרה של הציוד בתהליך התעשייתי הכולל ייצור, ייצור, פיתוח וייצור. התהליכים התשתיתיים כוללים חלוקת גז ונפט, חשמל, חלוקת מים. השירותים הציבוריים כוללים מערכת תעבורת אוטובוסים, שדה תעופה. מערכת SCADA לוקחת את קריאת המונים ובודקת את מצב החיישנים במרווחי זמן קבועים כך שהיא דורשת הפרעה מינימלית של בני אדם.

רשת SCADA כללית

היסטוריה של SCADA

מוקדם יותר, השליטה במפעלי התעשייה וברצפות הייצור יכולה להתבצע באופן ידני בעזרת ציוד אנלוגי ולחצנים. ככל שגודל הענף הולך וגדל, כך הם העסיקו טיימרים וממסרים כדי לספק בקרה פיקוחית לרמה קבועה למיכון אוטומטי מינימלי. לכן, אוטומציה מלאה עם מערכת יעילה יותר הייתה נחוצה לכל הענפים.

אנו יודעים כי למטרות בקרה תעשייתית יושמו מחשבים בשנת 1950. לאחר מכן, מושג הטלמטריה יושם להעברת נתונים כמו גם לווירטואלי. תִקשׁוֹרֶת . בשנת 1970 פותחה מערכת SCADA יחד עם המיקרו-מעבדים וכן PLC.

אז המושגים הללו עזרו באופן מלא תוך פיתוח אוטומציה המופעלת בתעשיות מרחוק. מערכות ה- SCADA המבוזרות יושמו בשנת 2000. לאחר מכן פותחו מערכות SCADA חדשות שנועדו לפקח ולשלוט בנתונים בזמן אמת בכל מקום בעולם.

אדריכלות מערכת SCADA

ככלל, מערכת SCADA הינה מערכת מרכזית העוקבת אחר האזור כולו ושולט בו. זוהי חבילת תוכנה טהורה הממוקמת על גבי החומרה. מערכת פיקוח אוספת נתונים על התהליך ושולחת את בקרת הפקודות לתהליך. ה- SCADA היא יחידת מסוף מרוחקת אשר מכונה גם RTU.

רוב פעולות הבקרה מבוצעות באופן אוטומטי על ידי RTU או PLC. ה- RTU מורכב מממיר לוגיקה הניתן לתכנות אשר ניתן להגדיר לדרישה ספציפית. לדוגמא, בתחנת הכוח התרמית ניתן להגדיר את זרימת המים לערך ספציפי או לשנות אותה בהתאם לדרישה.

מערכת SCADA מאפשרת למפעילים לשנות את נקודת ההגדרה של הזרימה, ולאפשר תנאי אזעקה במקרה של אובדן זרימה וטמפרטורה גבוהה, והמצב מוצג ומתועד. מערכת SCADA עוקבת אחר הביצועים הכוללים של הלולאה. מערכת SCADA היא מערכת מרכזית לתקשר עם טכנולוגיה קווית ואלחוטית למכשירי קלינט. פקדי מערכת SCADA יכולים להריץ לחלוטין את כל סוגי התהליך התעשייתי.

לדוגמא, אם מצטבר יותר מדי לחץ בצינור הגז, מערכת SCADA יכולה לפתוח אוטומטית שסתום שחרור.

אדריכלות חומרה

ניתן לסווג את מערכת ה- SCADA בדרך כלל לשני חלקים:

• שכבת לקוח
• שכבת שרת נתונים

שכבת קלינט פונה לאינטראקציה בין אדם למכונה.

שכבת שרת הנתונים מטפלת ברוב התהליך של פעילויות נתונים.

תחנת SCADA מתייחסת לשרתים והיא מורכבת ממחשב יחיד. שרתי הנתונים מתקשרים עם מכשירים בשטח באמצעות בקרי תהליכים כמו PLC או RTU. ה- PLC מחוברים לשרתי הנתונים ישירות או באמצעות רשתות או אוטובוסים. מערכת SCADA משתמשת ברשתות WAN ו- LAN, ה- WAN וה- LAN מורכבים מפרוטוקולי אינטרנט המשמשים לתקשורת בין תחנת האב למכשירים.

הציוד הפיזי כמו חיישנים המחוברים ל- PLC או RTU. ה- RTU ממירים את אותות החיישן לנתונים דיגיטליים ושולחים נתונים דיגיטליים למאסטר. על פי משוב המאסטר שקיבל ה- RTU, הוא מחיל את האות החשמלי על ממסרים. רוב פעולות הניטור והבקרה מבוצעות על ידי RTUs או PLCs כפי שניתן לראות באיור.

אדריכלות חומרת מערכת SCADA

אדריכלות תוכנה

מרבית השרתים משמשים לריבוי משימות ובסיס נתונים בזמן אמת. השרתים אחראים לאיסוף נתונים וטיפול בהם. מערכת SCADA מורכבת מתוכנה המספקת נתונים מגמתיים, אבחוניים וניהול מידע כגון הליכי תחזוקה מתוזמנים, מידע לוגיסטי, סכימות מפורטות לחיישן או מכונה מסוימים, ומדריכים לפתרון בעיות מומחים במערכת. משמעות הדבר היא שהמפעיל יכול לראות ייצוג סכמטי של הצמח הנשלט.

ארכיטקטורת תוכנה של SCADA

דוגמאות הן בדיקת אזעקה, חישובים, רישום וארכיוני בקרי סקרים על קבוצה של פרמטרים, אלה מחוברים בדרך כלל לשרת.

מערכת SCADA עובדת

מערכת SCADA מבצעת את הפונקציות הבאות

• רכישות נתונים
• תקשורת נתונים
• מידע / הצגת נתונים
• ניטור / בקרה

פונקציות אלה מבוצעות על ידי חיישנים, RTU, בקרים, רשת תקשורת. החיישנים משמשים לאיסוף המידע החשוב ו- RTU משמשים לשליחת מידע זה לבקר ולהצגת מצב המערכת. על פי מצב המערכת, המשתמש יכול לתת את הפקודה לרכיבי מערכת אחרים. פעולה זו נעשית על ידי רשת התקשורת.

רכישות נתונים

המערכת בזמן אמת מורכבת מאלפי רכיבים וחיישנים. חשוב מאוד לדעת את מצבם של רכיבים וחיישנים מסוימים. לדוגמא, ישנם חיישנים שמודדים את זרימת המים מהמאגר למיכל המים ויש חיישנים המודדים את לחץ הערך כאשר המים משתחררים מהמאגר.

תקשורת נתונים

מערכת SCADA משתמשת ברשת קווית כדי לתקשר בין משתמשים והתקנים. יישומים בזמן אמת משתמשים בהרבה חיישנים ורכיבים אותם יש לשלוט מרחוק. מערכת SCADA משתמשת בתקשורת אינטרנט. כל המידע מועבר דרך האינטרנט באמצעות פרוטוקולים ספציפיים. חיישנים וממסרים אינם מסוגלים לתקשר עם פרוטוקולי הרשת ולכן RTU משמשים לתקשורת חיישנים וממשקי רשת.

הצגת מידע / נתונים

לרשתות המעגלים הרגילות יש כמה אינדיקטורים שיכולים להיות גלויים לשליטה, אך במערכת SCADA בזמן אמת יש אלפי חיישנים ואזעקה שאי אפשר לטפל בו זמנית. מערכת SCADA משתמשת ב- ממשק אדם-מכונה (HMI) לספק את כל המידע שנאסף מהחיישנים השונים .

ניטור / בקרה

מערכת SCADA משתמשת במתגים שונים להפעלת כל מכשיר ומציגה את מצב אזור הבקרה. ניתן להפעיל / לכבות כל חלק בתהליך מתחנת הבקרה באמצעות מתגים אלה. מערכת SCADA מיושמת לעבודה אוטומטית ללא התערבות אנושית, אך במצבים קריטיים היא מטופלת על ידי כוח אדם.

רכיבי SCADA

רכיבי מערכת SCADA כוללים את הדברים הבאים.

מערכת פיקוח

מערכת הפיקוח פועלת כמו שרת תקשורת בין תוכנת הממשק האנושי-מכונה בחדר הבקרה של תחנות העבודה, כמו גם המכשירים שלה כגון RTUs, חיישנים, PLCs וכו '. מערכות SCADA קטנות יותר כוללות פשוט מחשב אישי יחיד שישמש כמאסטר. אחרת היא פיקוח ואילו מערכות SCADA גדולות כוללות שרתים רבים, אתרים לשחזור טרגדיה וכן יישומי תוכנה מבוזרים. השרתים מחוברים כמו מערכת המתנה חמה אחרת מיותרת כפולה בכדי לפקח על כשל בשרת ברציפות.

RTU (יחידות מסוף מרוחקות)

ה- RTU או יחידת המסוף המרוחקת היא מכשיר אלקטרוני והיא מכונה גם יחידות טלמטריה מרחוק. מערכת זו כוללת אובייקטים פיזיים שמממשקים באמצעות RTU.

השליטה במכשירים אלה יכולה להיעשות באמצעות מיקרו-מעבדים. כאן משתמשים במיקרו-מעבדים לבקרת RTU המשמשים להעברת הנתונים המוקלטים לעבר מערכת הפיקוח. ניתן לקבל את הנתונים ממערכת האב לשליטה באובייקטים המחוברים.

PLCs (בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות)

המונח PLC מייצג בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות המשמשים במערכות SCADA בעזרת חיישנים. בקרים אלה מחוברים לחיישנים להמרת אות הפלט של החיישן לנתונים דיגיטליים. בהשוואה ל- RTU, אלה משמשים בשל הגמישות, התצורה, הרבגוניות והמחיר המשתלם שלהם.

תשתיות תקשורת

במערכת SCADA משתמשים בתמהיל של רדיו וחיבור קווי ישיר. עם זאת, ניתן להשתמש ב- SONET או SDH גם למערכות מעולות כמו תחנות כוח ורכבות. בין פרוטוקולי SCADA הקומפקטיים נעשה שימוש מועט בשבעה פרוטוקולים מוכרים סטנדרטיים בכדי להעביר מידע פשוט לאחר סיום ה- RTU דרך תחנת הפיקוח.

תכנות SCADA

בתחנת ה- HMI אחרת, תכנות SCADA משמש בעיקר ליצירת מפות, דיאגרמות כדי לספק מידע חשוב מאוד לאורך ההתקדמות אחרת כאשר מתרחש כשל באירוע. ברוב מערכות ה- SCADA המסחריות משתמשים בממשקים עקביים בשפת התכנות C אחרת ניתן להשתמש גם בשפת תכנות נגזרת.

ממשק מכונה אנושית

מערכת SCADA משתמשת בממשק האדם-מכונה. המידע מוצג ומפקח על מנת שיעבד אותו אדם. HMI מספק גישה למספר יחידות בקרה שיכולות להיות PLCs ו- RTUs. ה- HMI מספק את ההצגה הגרפית של המערכת.

לדוגמה, הוא מספק תמונה גרפית של המשאבה המחוברת למיכל. המשתמש יכול לראות את זרימת המים ואת לחץ המים. החלק החשוב ב- HMI הוא מערכת אזעקה המופעלת על פי הערכים שהוגדרו מראש.

ממשק מכונה אנושית

לדוגמה , אזעקת מפלס המים במיכל מוגדרת לערכים של 60% ו -70%. אם מפלס המים מגיע למעל 60% האזעקה נותנת אזהרה רגילה ואם מפלס המים מגיע למעל 70% האזעקה נותנת אזהרה קריטית.

סוגי מערכת SCADA

מערכות SCADA מסווגות לארבעה סוגים הכוללים את הדברים הבאים.

• מערכות SCADA מונוליטיות
• מערכות SCADA מבוזרות
• מערכות SCADA מרושתות
• מערכות SCADA של IoT

מערכות SCADA מונוליטיות

מערכות SCADA מונוליטיות נקראות כמערכות דור מוקדם או ראשון. במערכות מסוג זה משתמשים במחשבים זעירים. פיתוח מערכות אלו יכול להיעשות כאשר שירותי רשת משותפים אינם זמינים. תכנון מערכות אלו יכול להיעשות כמו מערכות עצמאיות ללא כל קשר למערכות אחרות.

ניתן לאסוף את הנתונים מכל ה- RTU באמצעות מסגרת גיבוי ראשית. התפקידים העיקריים של מערכות הדור הראשון הללו מוגבלים לתהליכי סימון במקרי משבר ולפיקוח על החיישנים.

מערכות SCADA מבוזרות

מערכות SCADA מבוזרות נקראות מערכות דור שני. הפצת פונקציות הבקרה יכולה להתבצע על פני מערכות רבות על ידי חיבור לרשת מקומית. ניתן לבצע את פעולות הבקרה על ידי שיתוף נתונים בזמן אמת ועיבוד פקודות.

בסוגי מערכות אלה, הגודל והעלות של כל תחנה מצטמצמים אולם לא היו פרוטוקולי רשת עקביים. מכיוון שהפרוטוקולים היו קנייניים, פחות אנשים מבינים את אבטחת המערכת של SCADA בזמן שהתקנתם וגורם זה התעלמו במידה רבה.

מערכות SCADA מרושתות

מערכות SCADA המרושתות ידועות גם בשם מערכות דור שלישי. הרשת והתקשורת של מערכות SCADA הנוכחיות יכולות להיעשות באמצעות מערכת ה- WAN דרך קווי נתונים או טלפונים. העברת הנתונים בין שני צמתים יכולה להתבצע בעזרת חיבורי אתרנט או סיבים אופטיים.

סוג זה של מערכת SCADA משתמש PLC להתאים ולפקח על פעולות הסימון פשוט ברגע שיש צורך בבחירות עיקריות.

מערכות SCADA של IoT

מערכות SCADA של IoT הן מערכות דור רביעי. במערכות אלה, עלות התשתית של המערכת מופחתת על ידי הטמעת IoT באמצעות מחשוב ענן . תחזוקה ושילוב מערכות אלו קל בהשוואה לאחרות.

בזמן אמת ניתן לדווח על מצב מערכות אלו באמצעות מחשוב ענן. לכן ניתן לבצע יישום של אלגוריתמים כמו שליטה מורכבת המשמשים לעתים קרובות ב- PLC רגילים.

אבטחת SCADA

נכון לעכשיו, רשתות SCADA משמשות רבות בתעשיות הנוכחיות לבדיקה ובדיקה של נתונים בזמן אמת, ניתן לשלוט על תהליכים תעשייתיים, לתקשר עם מכשירים. אז מערכות SCADA חיוניות לארגונים תעשייתיים מכיוון שמערכות אלה כוללות חומרה ותוכנה. אז, אבטחת SCADA חיונית גם בתעשיות.

המונח אבטחת SCADA משמש להגנה על רשתות SCADA המפוברקות בחומרת מחשב. רשתות SCADA המשמשות חלק מהמערכות הן חַשְׁמַל גז טבעי וכו '. הארגונים הפרטיים והממשלתיים נקטו באמצעים של רשתות אלה בגלל תפקידם היקר להבטיח את אבטחת מערכות ה- SCADA.

דוגמאות לאבטחת SCADA

האיומים המתרחשים במערכות SCADA כוללים את הדברים הבאים.

• האקרים
• מחבלים
• תוכנה זדונית
• שגיאה בפנים

חולשת אבטחת SCADA מתרחשת בעיקר בגלל הסיבות הבאות.

• אימון גרוע
• פרצות פרצה של אפליקציה
• נושאים תוך כדי ניטור
• פחות תחזוקה

ניתן להגן על מערכת SCADA על ידי מיפוי כל המערכות הקיימות, ניטור ואיתור המכון ויצירת תהליכים לאבטחת הרשת.

ההבדל בין PLC ל- SCADA

ההבדל בין PLC ל- SCADA כולל את הדברים הבאים.

SCDA למפעל תעשייתי מרוחק

במפעלים תעשייתיים גדולים מתרחשים תהליכים רבים בו זמנית וכל אחד מהם צריך להיות במעקב, וזו משימה מורכבת. מערכות SCADA משמשות לניטור ובקרה של הציוד בתהליכים התעשייתיים הכוללים חלוקת מים, חלוקת נפט והפצת חשמל. המטרה העיקרית של פרויקט זה היא לעבד את הנתונים בזמן אמת ולשלוט בסביבה התעשייתית הרחוקה בקנה מידה גדול. בתרחיש בזמן אמת נלקחת מערכת רישום טמפרטורות להפעלת מפעל מרוחק.

דיאגרמת חסימות של מפעל תעשייתי לבקרת טמפרטורה

חיישני הטמפרטורה מחוברים למיקרו-בקר המחובר למחשב בקצה הקדמי ותוכנה נטענת על המחשב. הנתונים נאספים מחיישני הטמפרטורה. חיישני הטמפרטורה שולחים את האות ברציפות למיקרו-בקר אשר בהתאם לכך מציג ערכים אלה בלוח הקדמי שלו.

אפשר להגדיר את הפרמטרים כמו גבול נמוך וגבול גבוה על גבי מסך המחשב. כאשר הטמפרטורה של החיישן חורגת מהנקודה הקבועה המיקרו-בקר שולח פקודה לממסר המתאים. תנורי החימום המחוברים דרך אנשי קשר ממסר כבויים ומופעלים.

זוהי מערכת רישום טמפרטורות. כאן 8 חיישני טמפרטורה במצב ריבוב מחוברים למיקרו-בקר דרך ADC 0808. ואז הערכים של כל החיישנים נשלחים באופן סדרתי על ידי המיקרו-בקר דרך מקס 32 ליציאת המחשב. תוכנת 'DAQ System' הנטענת על המחשב האישי לוקחת את הערכים הללו ומציגה אותם בלוח הקדמי שלה, וגם רושמת אותם למסד הנתונים 'daq.mdb'.

אפשר להגדיר בדרך האינטראקטיבית כמה פרמטרים כמו נקודת הגדרה, גבול נמוך ומגבלה גבוהה על מסך המחשב. כאשר הטמפרטורה של חיישן כלשהו עולה מעבר לנקודת הקבע, המיקרו-בקר שולח פקודות ל IC ממסר. תנורי החימום המחוברים דרך אנשי קשר ממסר (ספציפיים לאותו חיישן) כבויים (או מופעלים במקרה הפוך). מגבלות גבוהות ומגבלות נמוכות מיועדות לאזעקה. כאשר הטמפרטורה חורגת מהגבול הגבוה או מתחת לגבול הנמוך האזעקה תופעל.

SCADA למפעל תעשייתי מרוחק

יתרונות

היתרונות של מערכת SCADA כוללים את הדברים הבאים.

• ניתן לשפר את איכות השירות
• ניתן לשפר את האמינות
• עלות התחזוקה נמוכה יותר
• ניתן לצמצם את הפעולה
• ניתן לפקח על פרמטרים גדולים של המערכת
• ניתן לצמצם את כוח האדם
• ניתן להפחית את זמן התיקון
• איתור תקלות ואיתור תקלות
• הוא מאחסן כמות גדולה של נתונים
• בהתאם לדרישת המשתמש, הוא מציג את הנתונים בפורמטים שונים.
• ניתן לממשק אלפי חיישנים עם SCADA לבקרה ולניטור
• ניתן לקבל הדמיות נתונים אמיתיות על ידי המפעילים
• נותן מענה מהיר
• הוא גמיש כמו גם ניתן להרחבה תוך הוספת משאבים נוספים.
• מערכת SCADA מספקת מידע מכני וגרפי על הסיפון
• מערכת ה- SCADA ניתנת להרחבה בקלות. אנו יכולים להוסיף סט של יחידות בקרה וחיישנים בהתאם לדרישה.
• מערכת SCADA מסוגלת לפעול במצבים קריטיים.

חסרונות

החסרונות של מערכת SCADA כוללים את הדברים הבאים.

• זה מורכב מבחינת מודולים תלויים ויחידות חומרה.
• זה צריך אנליסטים, מתכנתים ומפעילים מיומנים לשמור
• עלות התקנה גבוהה
• ניתן להגדיל את שיעורי האבטלה
• מערכת זו תומכת בהתקני חומרה ובתוכנות מוגבלות

יישומים

היישומים של מערכת SCADA כוללים את הדברים הבאים.

• ייצור והפצת כוח
• תחבורה ציבורית
• מערכת מים וביוב
• ייצור
• תעשיות ומבנים
• רשתות תקשורת
• תעשיות נפט וגז
• ייצור חשמל, העברה והפצה
• מערכת חלוקת מים ומאגרים
• מבנים ציבוריים כמו חימום חשמלי ומערכת קירור.
• גנרטורים וטורבינות
• מערכת בקרת רמזורים

לפיכך, מדובר בכל סקירה כללית של מערכת SCADA (בקרת פיקוח ורכישת נתונים). מערכת זו נשלטת על ידי מחשב, המשמש לבקרה וכן לניטור תהליכים שונים במפעלים. מערכת זו משתמשת ב- GUI (ממשק משתמש גרפי), תקשורת נתונים וניהול מורחב למערכות ניטור. הנה שאלה בשבילך, מה זה PLC?

אשראי צילום:

• רשת SCADA כללית מאת mycpanel