بررسي عملكرد سيستمهاي اسكادا:
واژه اسكادا (SCADA) از سر نام عبارت (Supervisory Control And Data Acquistion) به مفهوم جمع آوري داده ، نظارت و كنترل همه جانبه بوجود آمده است.
كنترل متمركز را بصورت اعمال كنترل روي يك وسيله خاص براي تأييد عملكرد آن در جهت صحيح و برنامه ريزي از پيش تدارك ديده شده تعريف مي كنند و عموماً در مورد سيستمهايي به كار مي رود كه عمل "كنترل از راه دور " بر آنها اعمال مي شود. طبيعي است كنترل يك وسيله يا سيستم بدون داشتن طلاعات دقيق از وضعيت آن نا ممكن است بنابراين كنترل متمركز هميشه با يك سيستم جمع آوري اطلاعات توأم است.
در اصطلاح هر جا يك مركز از تعدادي "پايانه دور دست" اطلاعات دريافت كند و به آنها فرمانهايي ارسال كند يك سيستم اسكادا وجود خواهد داشت.
تاريخچه بكارگيري سيستمهاي كسب اطلاعات و كنترل از راه دور:
بكارگيري سيستم هاي كسب اطلاعات و كنترل از راه دور از سال 1880 ميلادي به بعد متداول گشت . در آغاز سيستم كسب اطلاعات كاملاً جدا از سيستم كنترل بود . در سالهاي 1920-1930 سيستمهايي كه بتوانند دو عمل دريافت و ارسال را توأماً انجام دهند طراحي گرديد؛ ولي تكنولوژي بكار رفته در تجهيزات آن عمدتاً الكترومكانيكي بود و چون تجهيزات ايستگاههايي كه در خارج از مركز قرار داشتند الكترومكانيكي بودند براي كنترل و ارسال وضعيت تعداد محدودي از دستگاهها بكار مي رفتند و نمي توانستند كميت هاي آنالوگ را انتقال دهند.
از سال 1960 به بعد با پيشرفت تكنولوژي كامپيوتر تحول اساسي در طراحي سيستم هاي نظارت و كنترل بوجود آمد. سيستمهاي اخير علاوه بر انتقال وضعيت دستگاهها ، كميت هاي آنالوگ را نيز در سطحي وسيع به مركز ارسال مي نمايند.
در مركز بر روي اطلاعات داده شده انواع و اقسام محاسبات رياضي و عمليات منطقي صورت مي گيرد. اينگونه سيستم ها بنام سيستمهاي اسكادا معروف است.
از جمله سيستمهاي كامپيوتري صنعتي كه در حال حاضر در كليه كشورهاي پيشرفته جهان بر روي شبكه هاي توزيعي مانند خطوط توزيعي نفت ، گاز ، آب ، برق يا شبكه هاي ديگر توزيع بكار گرفته مي شود ، همين سيستم اسكادا است .امروزه در كشورهاي پيشرفته حتي در شركتهاي اتوبوسراني و مترو هم از اين سيستمها استفاده مي شود.
اين پديده در حال حاضر آخرين دستاورد تكنولوژي ، در زمينه مكانيزه نمودن سيستم توزيع صنعتي محسوب مي گردد. هدف كلي سيستم يافتن راهي مناسب جهت بهينه كردن عملكردهاست كه لازمه آن تلفيق نيازهاي اقتصادي با راندمان آنها بوده ، بطوريكه نگهداشتن كيفيت و همچنين تأمين منابع مورد نياز بصورت دائمي و لاينقطع حتي براي آخرين متقاضي مورد نظر مي باشد.
اسكادا يك ايده عيني كامل به منظور نظارت و كنترل شبكه ها بوده و كمك مي كند تا در اجراي عمليات ، از دستگاهها و لوازمي كه در اختيار مي باشند ، بطور كار آمدتري استفاده شود و به نحو بهتري كار سيستم مذكور ، اعتماد بنفس را گسترش داده و خطرات احتمالي را كاهش مي دهد و چنانچه در اثر بروز حوادث و خطاها سيستم دچار اختشاش و بهم خوردگي شد خطرات ناشي از اين وقايع را كاهش داده و آنرا حداقل مي كند.
آشنايي با ساختار سيستمهاي اسكادا:
براي تشريح ساختار سيستم ، ذكر اين نكته ضروريست كه براي كنترل متمركز شبكه قدرت ، در دست داشتن اطلاعات كافي از نقاط شبكه ضروريست. در واقع تصميم گيرنده براي شبكه ، بايستي آلارمهاي موجود در سيستم را دريافت نمايد. مقادير ولتاژ ، جريان، توان و ... را در كل سيستم در دسترس داشته باشد و توانايي اين را داشته باشد كه در قسمتهاي مختلف شبكه مداخله كرده و تغيير ايجاد كند. با بياني روشنتر مي توان ديد كه سيستم اسكادا بعنوان مثال چشمي براي قرائت مقادير مختلف در شبكه ، گوشي براي دريافت آلارمها و دستهايي براي عمل كننده در شبكه دارد. حال با توضيح فوق ،تقسيم بندي سيستم اسكادا ساده تر خواهد بود. كلي ترين تقسيم بندي كه براي يك سيستم اسكادا مي توان در نظر گرفت عبارت از :
· سيستم محلي
· سيستم ارتباطي
· سيستم مركزي
سيستم محلي:
تجهيزاتي كه در محل يعني پستها و نيروگاهها نصب مي شوند و وظيفه جمع آوري اطلاعات و اجراي فرامين را بعهده دارند ، بطور كلي سيستم محلي ناميده مي شوند. سيستم مذكور اين امكان را فراهم مي آورد كه داده ها ، مقادير جمع آوري شده و فرامين مركز ديسپاچينگ به اجرا درآيد.بعلاوه وظيفه گزارش دادن وضعيت ها و تغييرات آنها را به عهده دارد.سيستم محلي ، بخشي از سيستم اسكادا است كه ارتباط فيزيكي با سيستم قدرت در آنجا برقرار مي شود و تجهيزاتي كه بايستي كنترل شوند و سيگنالهايي كه بايستي ارسال شوند . همه بخشهاي مختلف اين سيستم را تشكيل مي دهند.
با يك نگاه به مثال گفته شده در قبل ملاحظه مي شود كه سيستم محلي به مثابه چشم ، گوش و دست براي سيستم كنترل مي باشد. بدين ترتيب كه وضعيتها ، مقادير و اطلاعات از طريق گوش و چشم دريافت شده ، سپس فرامين توسط دست به اجرا در مي آيد.
سيستم محلي به دو بخش اساسي تقسيم مي شود:
1. تجهيزات واسط فشار قوي (HVI)
2.
1-High Voltage Interface
2-Remote Terminal Unit
3- Interfacing
پايانه راه دور يا بطور كلي پايانه
تجهيزات واسط فشار قوي (HVI):
براي معرفي بخش HVI، در ابتدا ياد آور مي شويم كه تمامي داده ها از قسمت فشار قوي پست و يا نيروگاه نشأت مي گيرند. تبادل داده ها و فرامين در محيطي مملو از نويز ، با ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي بسيار قوي صورت مي گيرد . همچنين اين داده ها از نظر سطح ولتاژ و جريان بايستي قابل اتصال به بخشهاي حساس الكترونيكي پايانه باشند و فرامين پايانه نيز در نهايت توسط تجهيزات الكترومكانيكي اين بخش به اجرا در مي آيد . با اين مقدمه ، ضرورت استفاده از تجهيزاتي كه نقش واسط بين تجهيزات فشار قوي و پايانه را بازي كند احساس مي شود . به تركيب تجهيزات فوق بطور كلي سيستم HIV گفته مي شود. البته در ابتدا نقاطي كه اطلاعات آنها مورد نياز است و براي ارسال فرمان به آنها بايد در دسترس باشند بوسيله كابلهايي به تابلويي به نام مارشالينگ راك كه اختصاراً MR ناميده مي شود هدايت مي شوند و سپس از طريق تجهيزات واسط فشار قوي به پايانه مي رسند . به مجموعه اين تمهيدات براي ارسال اطلاعات از نقاط مطلوب و اجراي فرامين در مورد آنها عمليات "اينترفيسينگ"گفته مي شود.
پايانه:
پايانه بعنوان بخش اصلي در سيستم محلي و از طرفي بعنوان يكي از عناصر مهم سيستم اسكادا ، وظيفه جمع آوري اطلاعات از نيروگاه و پست و همچنين كار هدايت و كنترل آنها را بر عهده دارد.
همانطور كه گفته شد كار ارتباط پايانه با پست را بخش HVI انجام مي دهد . پايانه نيز از طريق مودم با سيستم ارتباطي و از آنجا با سيستم مركزي در ارتباط است.
سيستم ارتباطي:
سيستم ارتباطي بخش مهمي از سيستم اسكادا است كه بدون آن تصور داشتن كنترل از راه دور غير ممكن مي نمايد. اين بخش وظيفه ايجاد ارتباط بين "سيستم محلي" و "سيستم مركزي" را بعهده دارد. با رجوع مجدد به مثال گفته شده ملاحظه مي شود كه اين بخش ، نقش شبكه عصبي بدن را بازي مي كند ، بدين صورت كه اطلاعات را از گوش و چشم (سيستم محلي) به مغز (سيستم مركزي) مخابره كرده و از آنجا فرامين را به دستها (سيستم محلي) ارسال مي نمايد.
رسانه هايي كه امروزه براي ارسال اطلاعات استفاده مي شوند عبارتند از :
تلفن، سيستم مخابراتي راديويي،سيستم شبكه ماكروويو، كابل هاي هم محور يا كواكسيال ، شبكه فيبر نوري، سيستم مخابراتي PLC و ماهواره.
شبكه مخابراتي و مسير هاي موجود بين مراكز و پايانه ها ، مي تواند آرايشهاي مختلفي با كاركردهاي متفاوتي داشته باشد. هر ساختار خواص ويژه اي دارد كه به نوبه خود روي عملكرد سيستم مخابراتي مي تواند موثر واقع شود. انواع آرايشهاي مخابراتي عبارتند از :
ü آرايش نقطه به نقطه(Point to Point) نوع اول و دوم
ü آرايش Party-Line
آرايش نقطه به نقطه نوع اول:
در اين نوع آرايش يك كانال مخابراتي براي هر پايانه در نظر گرفته مي شود. بطوريكه مركز كنترل براي ارتباط با هر پايانه يك كانال يا مسير مخصوص به خود دارد. بدين شكل مركز مي تواند با استفاده از واسطه مخابراتي(CIU) يا "Communication Interface Unit " ارتباطش را با پايانه ها بطور همزمان برقرار كند و پيامهاي جداگانه ارسال شود.
Control Center
CIU
CIU
RTU
RTU آرايش نقطه به نقطه نوع دوم:
روش ديگر آرايش نقطه به نقطه اين است كه به هر CIU بيش از يك پايانه متصل مي شود. اين روش عموماً به دليل صرفه جويي در وسايل الكترونيكي در پايين آوردن قيمت تجهيزات مركز كنترل و يا بهبود بخشيدن به كارايي و سرعت كامپيوتر مركز انجام مي شود.
در اين آرايش چند پايانه از يك كانال مخابراتي براي ارتباط با مركز استفاده مي كنند و مركز نيز براي ارتباط با آنها مي بايست آنها را نشاني دار نمايد. بدين ترتيب هر پايانه با بررسي بيتهاي آدرس در پيغام ارسالي ، پيام مربوط به خود را دريافت مي كند.
v براي ارسال اطلاعات از راه دور مي بايست اين اطلاعات به سيگنال الكتريكي تبديل گردند كه در ايران براي ارسال اطلاعات (ارتباط يك Server با RTU) معمولاً از تلفن ،سيستم مخابراتي راديويي ،سيستم مخابراتي ماكروويو و بطور عمده از PLC استفاده مي گردد.
سيستم مركزي يا " مركز كنترل "
1-Power Line Carrier
2-Man Machine Interface
رأس يك سيستم اسكادا در واقع تجهيزاتي هستند كه مركز كنترل را بوجود مي آورند ، و شامل يك اتاق كنترل مركب از تجهيزات ارتباط انسان و ماشين”MMI” ، سيستم كامپيوتر مركزي و ... است.براحتي مي توان ديد كه شبكه هاي مخابراتي كه از "سيستم محلي" شروع مي شوند ، به مركز كنترل خاتمه مي يابند. " سيستم مركزي " را مي توان به دو بخش سخت افزار و نرم افزار تقسيم كرد كه وظايف مربوطه را انجام مي دهند . عمده وظيفه يك مركز كنترل را مي توان بدين صورت بيان داشت:
"جمع آوري داده ها و اطلاعات دريافتي از شبكه قدرت ، سپس آناليزداده ها و ارائه نتايج به اپراتور و در صورت نياز ارسال به سطوح بالاتر كنترلي و همچنين ارسال فرامين اپراتور به پايانه ها"
از آنجا كه تصميم گيرنده نهايي و قطعي و مسوول در برابر عملكرد سيستم ، اپراتور است ، لهذا سيستم با قابليتهايي كه دارد اپراتور را در اجراي هر چه بهتر فرامين و تصميم گيري مناسب ياري مي نمايد.
با بزرگ شدن شبكه هاي قدرت مسووليتهاي مراكز كنترل تقسيم شده و سيستمهاي تسلسلي متشكل از چندين مركز كنترل را موجب شده است.
وظيفه هر مركز كنترل بستگي به محل آن در سيستم تسلسل ،در رابطه با توليد ،انتقال يا توزيع انرژي دارد.
يك مركز كنترل با توجه به رفتار و حالت شبكه بايد فرمانهاي لازم را صادر نمايد. براي اينكه يك مركز بتواند نقش خود را ايفا نمايد. به اطلاعات و ابزار سريع جهت محاسبه و انجام موارد زير نياز دارد:
ü نمايش شماي واقعي ايستگاهها و سيستم از نظر اتصالات و توزيع بار
ü امكانات سريع و مطمئن جهت كنترل شبكه
ü محاسبه و برنامه ريزي هاي كوتاه مدت و بلند مدت براي سيستم
ü محاسبه ايمني و بالا بردن آن
ü اعمال مديريت صحيح انرژي در سيستم
ساختار سخت افزاري مركز كنترل:
نقطه ارتباطي مركز كنترل با سيستم ارتباطات كه اطلاعات و فرامين را از طريق مودمها يا واسطه هاي مخابراتي با شبكه ارتباطي مبادله مي كند”CIU” نام دارد. در CIU يك سري كنترلهاي مخابراتي وجود دارد كه وظيفه ارتباط با پايانه ها را بر اساس طراحي سازنده انجام مي دهد. از آن پس پردازشگرها و كامپيوترهايي در نظر گرفته شده است كه وظيفه نظارت ،كنترل ، محاسبه ،جمع آوري و پردازش اطلاعات و ارسال فرامين را بر عهده دارند. اين مجموعه از FEP يا پردازشگر پيشينه و نيز HOST كه كامپيوتر اصلي است تشكيل مي شود. HOST كامپيوتري است كه به ديگر كامپيوترها سرويس مناسب جهت اعمال وظايف كنترلي و نظارتي را مي دهد. براي بالا بردن قابليت اطمينان بصورت افزونه يك FEP و HOST ديگر در نظر گرفته مي شود كه هميشه روشن و در صورت لزوم آماده بكار است. در نمودار گرافيكي صفحه بعد ساختار سخت افزاري مركز كنترل نشان داده شده است.
1-Communication Interface Unit
2- Front End Processor
CIU
FEP1
FEP2
SWITCH
OVER
HOST2
HOST1 CIU : متشكل از واسطه هاي مخابراتي است كه اطلاعات و فرامين را از طريق مودمها با شبكه ارتباطي مبادله مي كند.
FEP : جهت كاهش بار كامپيوتر اصلي ،پردازشگر يا كامپيوتر ديگري موسوم به FEP جهت نظارت ، كنترل و تبادل اطلاعات با پايانه ها بكار گرفته مي شود. براي اطمينان بيشتر كامپيوتر ديگري بصورت افزونه همزمان با FEP1 در نظر گرفته شده است ( FEP2 )
HOST1 : كامپيوتر اصلي HOST1 وظيفه محاسبات نهايي ، نظارت و كنترل را بر عهده دارد و براي بالا بردن قابليت اطمينان براي كامپيوتر اصلي در حال كار ، يك كامپيوتر ديگر بصورت افزونه در نظر گرفته مي شود.كامپيوتر افزونه روشن بوده و بصورت آماده بكار قرار مي گيرد.(HOST2)
SWITCH OVER : در صورت تشخيص خطا در حال كار تجهيزات SWITCH OVER بطور اتوماتيك وارد عمل مي شوند. امكان سوئيچينگ دستي نيز وجود دارد.
ساختار نرم افزاري سيستم مركزي:
نرم افزار هاي موجود در مراكز كنترل از نقطه نظر وظايفي كه بر عهده دارند به چهار دسته تقسيم مي شوند:
ü سيستم عامل OS
ü نرم افزار جمع آوري اطلاعات و كنترل
ü نرم افزارهاي كاربردي “PAS”
ü نرم افزار MMI
البته هر كدام از نرم افزارها زير سيستم هايي دارند كه به كمك اين زير سيستم ها پردازشهاي گوناگون انجام مي شود تا سرويس مناسب و بصورت قابل فهم از طريق نرم افزار MMI در اختيار اپراتور قرار گيرد.
سيستم عامل OS
سيستم عامل يا Operating System بعنوان بخشي از نرم افزار كل سيستم مي باشد كه در واقع نقطه انتهايي ارتباط با سخت افزار مي باشد. Os اجراي عمليات نرم افزاري را بر اساس سطح اولويت انجام مي دهد . همينطور سوئيچ نمودن برنامه ها بين حافظه اصلي و ديسك يك وظيفه اساسي سيستم عامل است.
نرم افزار جمع آوري اطلاعات و كنترل:
نرم افزار جمع آوري اطلاعات و كنترل با زير سيستمهايي كه دارد جريان اصلي اطلاعات و نيز كنترل شبكه و توزيع انرژي را سامان مي دهد.زير سيستمهاي اين نرم افزار وظايف كسب اطلاعات و كنترل،مديريت اطلاعات و كنترل تجهيزات مركز را بر عهده دارد.
الف ) كسب اطلاعات و كنترل
در اين قسمت اطلاعات ارسالي از پايانه ها شامل وضعيتها ، آلارمها و فرامين ارسالي پردازش مي شود.
MPP : زير سيستم MPP يا Multi Port Poller دائماً اطلاعات ديجيتال و آنالوگ پايانه ها را دريافت مي نمايد آنها را تعبير نموده و با توجه به فرامين كنترلي از ديگر زير سيستمها به پايانه ها ارسال مي نمايد و بر اجراي آنها نظارت دارد.
FEP: اين قسمت شاهراه اطلاعاتي بين ديگر زير سيستمها است.
SAP: در SAP (SCADA Application Processor) پردازش اصلي بر روي اطلاعات انجام مي شود و مديريت ارسال آنها به نرم افزار MMI را بر عهده دارد.
ب ) مديريت اطلاعات(Database Management)
تمامي فعاليت هاي زير سيستمهاي اين بخش مربوط به پايگاه داده اي مركز يا
(Database Management) مي باشد.
مديريت D.B: وظيفه روز آمد كردن يا on-line اطلاعات و داده ها را بصورت زمان حقيقي بر عهده دارد.
ويرايشگر D.B: همگام با تغيير شبكه برق و مشخصات آن ، وظيفه مهندسين نرم افزار مركز كنترل مي باشد كه اين تغييرات را در پايگاه اطلاعاتي مركز كنترل اعمال بنمايند. ابزار لازم براي اين كار ويرايشگر D.B مي باشد.
سازنده D.B: جهت ايجاد و توليد بعضي اطلاعات و سمبولها اين زير سيستم بكار مي رود.
ج ) كنترل تجهيزات مركز
كنترل و نظارت بر شبكه داخلي سخت افزار هاي موجود و انجام عمليات سوئيچينگ بين سخت افزار ها و نرم افزار هاي افزونه جزء وظايف زير سيستمهاي موجود در اين قسمت مي باشد.
HWM: به ازاي هر سخت افزار سيستم يك HardWare Manager (HWM) فعال خواهد بود و راه اندازي زير سيستم هاي خود و نظارت بر عملكرد صحيح آنها را بر عهده دارد.
NWM : بخش Network Manager(NWM) به ازاي تمام سخت افزار هاي موجود بصورت واحد بوده و راه اندازي اوليه سيستم ،نظارت بر عملكرد HWMها و جايگزيني HWMهاي افزونه در صورت تشخيص از كار افتادگي يكي از HWMها را بر عهده دارد.
نرم افزار PAS:
برنامه هاي PAS ابزاري هستند كه بهره بردار را در انجام اعمال مديريت انرژي ياري مي دهند . اين برنامه به هفت گروه : كنترل- نظارت- تجزيه و تحليل ايمني – افزايش ايمني – تجزيه و تحليل اقتصادي – برنامه ريزي و شبيه سازي آموزشي تقسيم مي شوند.كه بعلت كاربرد كمتر در بخش فوق توزيع به شرح يكايك آنها پرداخته نخواهد شد.
نرم افزار MMI:
از آنجا كه در سيستم اسكادا تصميم گيري نهايي به عهده انسان مي باشد. يكي از اصلي ترين وظايف سيستم كمك به اپراتور (كاربر) براي هرچه بهتر اداره كردن شبكه است.اين وظيفه را قسمتي از سيستم بنام "رابط انسان و ماشين" يا Man Machine Interfacing كه اختصاراً MMI ناميده مي شود انجام مي دهد.
در واقع اين قسمت اطلاعات شبكه را به شيوه اي مناسب در اختيار اپراتور قرار داده و فرامين او را در زمان لازم به اجرا در مي آورد.
MMI خود بواسطه تجهيزات چهارگانه اي كه در اختيار دارد ارتباط انسان و ماشين را ميسر مي سازد. اين تجهيزات عبارتند از :كنسول مهندسي، كنسول ديسپاچر ، ميميك دياگرام و دستگاههاي چاپگر اطلاعات
كنسول مهندسي: به منظور طراحي دياگرام تك خطي و ساير مشخصات پستهايي كه همراه با گسترش شبكه اضافه مي شوند و نيز ايجاد تغييراتي در دياگرام پستهاي موجود بكار گرفته مي شود.
كنسول ديسپاچر: به منظور كنترل شبكه در اختيار كاربر قرار دارد . از صفحات تلويزيوني عمدتاً به منظور نمايش دياگرامهاي تك خطي شبكه و آلارمهاي آن و از صفحات كليدي به منظور اعمال كنترل استفاده مي شود.
ميميك دياگرام : به منظور نمايش وضعيت تك خطي شبكه معمولاً يك تابلوي ديواري به نام ميميك در اتاق كنترل نصب مي شود.در كل ميميك بعنوان يك شماي كلي و ابزار جانبي اپراتور براي نظارت بر شبكه است.
دستگاه چاپگر اطلاعات: به منظور ضبط وقايع شبكه برق و چاپ اطلاعات آماري از دستگاههاي چاپگر استفاده مي شود.
واژه اسكادا (SCADA) از سر نام عبارت (Supervisory Control And Data Acquistion) به مفهوم جمع آوري داده ، نظارت و كنترل همه جانبه بوجود آمده است.
كنترل متمركز را بصورت اعمال كنترل روي يك وسيله خاص براي تأييد عملكرد آن در جهت صحيح و برنامه ريزي از پيش تدارك ديده شده تعريف مي كنند و عموماً در مورد سيستمهايي به كار مي رود كه عمل "كنترل از راه دور " بر آنها اعمال مي شود. طبيعي است كنترل يك وسيله يا سيستم بدون داشتن طلاعات دقيق از وضعيت آن نا ممكن است بنابراين كنترل متمركز هميشه با يك سيستم جمع آوري اطلاعات توأم است.
در اصطلاح هر جا يك مركز از تعدادي "پايانه دور دست" اطلاعات دريافت كند و به آنها فرمانهايي ارسال كند يك سيستم اسكادا وجود خواهد داشت.
تاريخچه بكارگيري سيستمهاي كسب اطلاعات و كنترل از راه دور:
بكارگيري سيستم هاي كسب اطلاعات و كنترل از راه دور از سال 1880 ميلادي به بعد متداول گشت . در آغاز سيستم كسب اطلاعات كاملاً جدا از سيستم كنترل بود . در سالهاي 1920-1930 سيستمهايي كه بتوانند دو عمل دريافت و ارسال را توأماً انجام دهند طراحي گرديد؛ ولي تكنولوژي بكار رفته در تجهيزات آن عمدتاً الكترومكانيكي بود و چون تجهيزات ايستگاههايي كه در خارج از مركز قرار داشتند الكترومكانيكي بودند براي كنترل و ارسال وضعيت تعداد محدودي از دستگاهها بكار مي رفتند و نمي توانستند كميت هاي آنالوگ را انتقال دهند.
از سال 1960 به بعد با پيشرفت تكنولوژي كامپيوتر تحول اساسي در طراحي سيستم هاي نظارت و كنترل بوجود آمد. سيستمهاي اخير علاوه بر انتقال وضعيت دستگاهها ، كميت هاي آنالوگ را نيز در سطحي وسيع به مركز ارسال مي نمايند.
در مركز بر روي اطلاعات داده شده انواع و اقسام محاسبات رياضي و عمليات منطقي صورت مي گيرد. اينگونه سيستم ها بنام سيستمهاي اسكادا معروف است.
از جمله سيستمهاي كامپيوتري صنعتي كه در حال حاضر در كليه كشورهاي پيشرفته جهان بر روي شبكه هاي توزيعي مانند خطوط توزيعي نفت ، گاز ، آب ، برق يا شبكه هاي ديگر توزيع بكار گرفته مي شود ، همين سيستم اسكادا است .امروزه در كشورهاي پيشرفته حتي در شركتهاي اتوبوسراني و مترو هم از اين سيستمها استفاده مي شود.
اين پديده در حال حاضر آخرين دستاورد تكنولوژي ، در زمينه مكانيزه نمودن سيستم توزيع صنعتي محسوب مي گردد. هدف كلي سيستم يافتن راهي مناسب جهت بهينه كردن عملكردهاست كه لازمه آن تلفيق نيازهاي اقتصادي با راندمان آنها بوده ، بطوريكه نگهداشتن كيفيت و همچنين تأمين منابع مورد نياز بصورت دائمي و لاينقطع حتي براي آخرين متقاضي مورد نظر مي باشد.
اسكادا يك ايده عيني كامل به منظور نظارت و كنترل شبكه ها بوده و كمك مي كند تا در اجراي عمليات ، از دستگاهها و لوازمي كه در اختيار مي باشند ، بطور كار آمدتري استفاده شود و به نحو بهتري كار سيستم مذكور ، اعتماد بنفس را گسترش داده و خطرات احتمالي را كاهش مي دهد و چنانچه در اثر بروز حوادث و خطاها سيستم دچار اختشاش و بهم خوردگي شد خطرات ناشي از اين وقايع را كاهش داده و آنرا حداقل مي كند.
آشنايي با ساختار سيستمهاي اسكادا:
براي تشريح ساختار سيستم ، ذكر اين نكته ضروريست كه براي كنترل متمركز شبكه قدرت ، در دست داشتن اطلاعات كافي از نقاط شبكه ضروريست. در واقع تصميم گيرنده براي شبكه ، بايستي آلارمهاي موجود در سيستم را دريافت نمايد. مقادير ولتاژ ، جريان، توان و ... را در كل سيستم در دسترس داشته باشد و توانايي اين را داشته باشد كه در قسمتهاي مختلف شبكه مداخله كرده و تغيير ايجاد كند. با بياني روشنتر مي توان ديد كه سيستم اسكادا بعنوان مثال چشمي براي قرائت مقادير مختلف در شبكه ، گوشي براي دريافت آلارمها و دستهايي براي عمل كننده در شبكه دارد. حال با توضيح فوق ،تقسيم بندي سيستم اسكادا ساده تر خواهد بود. كلي ترين تقسيم بندي كه براي يك سيستم اسكادا مي توان در نظر گرفت عبارت از :
· سيستم محلي
· سيستم ارتباطي
· سيستم مركزي
سيستم محلي:
تجهيزاتي كه در محل يعني پستها و نيروگاهها نصب مي شوند و وظيفه جمع آوري اطلاعات و اجراي فرامين را بعهده دارند ، بطور كلي سيستم محلي ناميده مي شوند. سيستم مذكور اين امكان را فراهم مي آورد كه داده ها ، مقادير جمع آوري شده و فرامين مركز ديسپاچينگ به اجرا درآيد.بعلاوه وظيفه گزارش دادن وضعيت ها و تغييرات آنها را به عهده دارد.سيستم محلي ، بخشي از سيستم اسكادا است كه ارتباط فيزيكي با سيستم قدرت در آنجا برقرار مي شود و تجهيزاتي كه بايستي كنترل شوند و سيگنالهايي كه بايستي ارسال شوند . همه بخشهاي مختلف اين سيستم را تشكيل مي دهند.
با يك نگاه به مثال گفته شده در قبل ملاحظه مي شود كه سيستم محلي به مثابه چشم ، گوش و دست براي سيستم كنترل مي باشد. بدين ترتيب كه وضعيتها ، مقادير و اطلاعات از طريق گوش و چشم دريافت شده ، سپس فرامين توسط دست به اجرا در مي آيد.
سيستم محلي به دو بخش اساسي تقسيم مي شود:
1. تجهيزات واسط فشار قوي (HVI)
2.
1-High Voltage Interface
2-Remote Terminal Unit
3- Interfacing
پايانه راه دور يا بطور كلي پايانه
تجهيزات واسط فشار قوي (HVI):
براي معرفي بخش HVI، در ابتدا ياد آور مي شويم كه تمامي داده ها از قسمت فشار قوي پست و يا نيروگاه نشأت مي گيرند. تبادل داده ها و فرامين در محيطي مملو از نويز ، با ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي بسيار قوي صورت مي گيرد . همچنين اين داده ها از نظر سطح ولتاژ و جريان بايستي قابل اتصال به بخشهاي حساس الكترونيكي پايانه باشند و فرامين پايانه نيز در نهايت توسط تجهيزات الكترومكانيكي اين بخش به اجرا در مي آيد . با اين مقدمه ، ضرورت استفاده از تجهيزاتي كه نقش واسط بين تجهيزات فشار قوي و پايانه را بازي كند احساس مي شود . به تركيب تجهيزات فوق بطور كلي سيستم HIV گفته مي شود. البته در ابتدا نقاطي كه اطلاعات آنها مورد نياز است و براي ارسال فرمان به آنها بايد در دسترس باشند بوسيله كابلهايي به تابلويي به نام مارشالينگ راك كه اختصاراً MR ناميده مي شود هدايت مي شوند و سپس از طريق تجهيزات واسط فشار قوي به پايانه مي رسند . به مجموعه اين تمهيدات براي ارسال اطلاعات از نقاط مطلوب و اجراي فرامين در مورد آنها عمليات "اينترفيسينگ"گفته مي شود.
پايانه:
پايانه بعنوان بخش اصلي در سيستم محلي و از طرفي بعنوان يكي از عناصر مهم سيستم اسكادا ، وظيفه جمع آوري اطلاعات از نيروگاه و پست و همچنين كار هدايت و كنترل آنها را بر عهده دارد.
همانطور كه گفته شد كار ارتباط پايانه با پست را بخش HVI انجام مي دهد . پايانه نيز از طريق مودم با سيستم ارتباطي و از آنجا با سيستم مركزي در ارتباط است.
سيستم ارتباطي:
سيستم ارتباطي بخش مهمي از سيستم اسكادا است كه بدون آن تصور داشتن كنترل از راه دور غير ممكن مي نمايد. اين بخش وظيفه ايجاد ارتباط بين "سيستم محلي" و "سيستم مركزي" را بعهده دارد. با رجوع مجدد به مثال گفته شده ملاحظه مي شود كه اين بخش ، نقش شبكه عصبي بدن را بازي مي كند ، بدين صورت كه اطلاعات را از گوش و چشم (سيستم محلي) به مغز (سيستم مركزي) مخابره كرده و از آنجا فرامين را به دستها (سيستم محلي) ارسال مي نمايد.
رسانه هايي كه امروزه براي ارسال اطلاعات استفاده مي شوند عبارتند از :
تلفن، سيستم مخابراتي راديويي،سيستم شبكه ماكروويو، كابل هاي هم محور يا كواكسيال ، شبكه فيبر نوري، سيستم مخابراتي PLC و ماهواره.
شبكه مخابراتي و مسير هاي موجود بين مراكز و پايانه ها ، مي تواند آرايشهاي مختلفي با كاركردهاي متفاوتي داشته باشد. هر ساختار خواص ويژه اي دارد كه به نوبه خود روي عملكرد سيستم مخابراتي مي تواند موثر واقع شود. انواع آرايشهاي مخابراتي عبارتند از :
ü آرايش نقطه به نقطه(Point to Point) نوع اول و دوم
ü آرايش Party-Line
آرايش نقطه به نقطه نوع اول:
در اين نوع آرايش يك كانال مخابراتي براي هر پايانه در نظر گرفته مي شود. بطوريكه مركز كنترل براي ارتباط با هر پايانه يك كانال يا مسير مخصوص به خود دارد. بدين شكل مركز مي تواند با استفاده از واسطه مخابراتي(CIU) يا "Communication Interface Unit " ارتباطش را با پايانه ها بطور همزمان برقرار كند و پيامهاي جداگانه ارسال شود.
Control Center
CIU
CIU
RTU
RTU
روش ديگر آرايش نقطه به نقطه اين است كه به هر CIU بيش از يك پايانه متصل مي شود. اين روش عموماً به دليل صرفه جويي در وسايل الكترونيكي در پايين آوردن قيمت تجهيزات مركز كنترل و يا بهبود بخشيدن به كارايي و سرعت كامپيوتر مركز انجام مي شود.
Control Center
CIU
CIU
RTU
RTU
RTU
RTU
RTU
RTU
آرايش Party – Line:CIU
CIU
RTU
RTU
RTU
RTU
RTU
RTU
در اين آرايش چند پايانه از يك كانال مخابراتي براي ارتباط با مركز استفاده مي كنند و مركز نيز براي ارتباط با آنها مي بايست آنها را نشاني دار نمايد. بدين ترتيب هر پايانه با بررسي بيتهاي آدرس در پيغام ارسالي ، پيام مربوط به خود را دريافت مي كند.
v براي ارسال اطلاعات از راه دور مي بايست اين اطلاعات به سيگنال الكتريكي تبديل گردند كه در ايران براي ارسال اطلاعات (ارتباط يك Server با RTU) معمولاً از تلفن ،سيستم مخابراتي راديويي ،سيستم مخابراتي ماكروويو و بطور عمده از PLC استفاده مي گردد.
سيستم مركزي يا " مركز كنترل "
1-Power Line Carrier
2-Man Machine Interface
رأس يك سيستم اسكادا در واقع تجهيزاتي هستند كه مركز كنترل را بوجود مي آورند ، و شامل يك اتاق كنترل مركب از تجهيزات ارتباط انسان و ماشين”MMI” ، سيستم كامپيوتر مركزي و ... است.براحتي مي توان ديد كه شبكه هاي مخابراتي كه از "سيستم محلي" شروع مي شوند ، به مركز كنترل خاتمه مي يابند. " سيستم مركزي " را مي توان به دو بخش سخت افزار و نرم افزار تقسيم كرد كه وظايف مربوطه را انجام مي دهند . عمده وظيفه يك مركز كنترل را مي توان بدين صورت بيان داشت:
"جمع آوري داده ها و اطلاعات دريافتي از شبكه قدرت ، سپس آناليزداده ها و ارائه نتايج به اپراتور و در صورت نياز ارسال به سطوح بالاتر كنترلي و همچنين ارسال فرامين اپراتور به پايانه ها"
از آنجا كه تصميم گيرنده نهايي و قطعي و مسوول در برابر عملكرد سيستم ، اپراتور است ، لهذا سيستم با قابليتهايي كه دارد اپراتور را در اجراي هر چه بهتر فرامين و تصميم گيري مناسب ياري مي نمايد.
با بزرگ شدن شبكه هاي قدرت مسووليتهاي مراكز كنترل تقسيم شده و سيستمهاي تسلسلي متشكل از چندين مركز كنترل را موجب شده است.
وظيفه هر مركز كنترل بستگي به محل آن در سيستم تسلسل ،در رابطه با توليد ،انتقال يا توزيع انرژي دارد.
يك مركز كنترل با توجه به رفتار و حالت شبكه بايد فرمانهاي لازم را صادر نمايد. براي اينكه يك مركز بتواند نقش خود را ايفا نمايد. به اطلاعات و ابزار سريع جهت محاسبه و انجام موارد زير نياز دارد:
ü نمايش شماي واقعي ايستگاهها و سيستم از نظر اتصالات و توزيع بار
ü امكانات سريع و مطمئن جهت كنترل شبكه
ü محاسبه و برنامه ريزي هاي كوتاه مدت و بلند مدت براي سيستم
ü محاسبه ايمني و بالا بردن آن
ü اعمال مديريت صحيح انرژي در سيستم
ساختار سخت افزاري مركز كنترل:
نقطه ارتباطي مركز كنترل با سيستم ارتباطات كه اطلاعات و فرامين را از طريق مودمها يا واسطه هاي مخابراتي با شبكه ارتباطي مبادله مي كند”CIU” نام دارد. در CIU يك سري كنترلهاي مخابراتي وجود دارد كه وظيفه ارتباط با پايانه ها را بر اساس طراحي سازنده انجام مي دهد. از آن پس پردازشگرها و كامپيوترهايي در نظر گرفته شده است كه وظيفه نظارت ،كنترل ، محاسبه ،جمع آوري و پردازش اطلاعات و ارسال فرامين را بر عهده دارند. اين مجموعه از FEP يا پردازشگر پيشينه و نيز HOST كه كامپيوتر اصلي است تشكيل مي شود. HOST كامپيوتري است كه به ديگر كامپيوترها سرويس مناسب جهت اعمال وظايف كنترلي و نظارتي را مي دهد. براي بالا بردن قابليت اطمينان بصورت افزونه يك FEP و HOST ديگر در نظر گرفته مي شود كه هميشه روشن و در صورت لزوم آماده بكار است. در نمودار گرافيكي صفحه بعد ساختار سخت افزاري مركز كنترل نشان داده شده است.
1-Communication Interface Unit
2- Front End Processor
CIU
FEP1
FEP2
SWITCH
OVER
HOST2
HOST1
FEP : جهت كاهش بار كامپيوتر اصلي ،پردازشگر يا كامپيوتر ديگري موسوم به FEP جهت نظارت ، كنترل و تبادل اطلاعات با پايانه ها بكار گرفته مي شود. براي اطمينان بيشتر كامپيوتر ديگري بصورت افزونه همزمان با FEP1 در نظر گرفته شده است ( FEP2 )
HOST1 : كامپيوتر اصلي HOST1 وظيفه محاسبات نهايي ، نظارت و كنترل را بر عهده دارد و براي بالا بردن قابليت اطمينان براي كامپيوتر اصلي در حال كار ، يك كامپيوتر ديگر بصورت افزونه در نظر گرفته مي شود.كامپيوتر افزونه روشن بوده و بصورت آماده بكار قرار مي گيرد.(HOST2)
SWITCH OVER : در صورت تشخيص خطا در حال كار تجهيزات SWITCH OVER بطور اتوماتيك وارد عمل مي شوند. امكان سوئيچينگ دستي نيز وجود دارد.
ساختار نرم افزاري سيستم مركزي:
نرم افزار هاي موجود در مراكز كنترل از نقطه نظر وظايفي كه بر عهده دارند به چهار دسته تقسيم مي شوند:
ü سيستم عامل OS
ü نرم افزار جمع آوري اطلاعات و كنترل
ü نرم افزارهاي كاربردي “PAS”
ü نرم افزار MMI
البته هر كدام از نرم افزارها زير سيستم هايي دارند كه به كمك اين زير سيستم ها پردازشهاي گوناگون انجام مي شود تا سرويس مناسب و بصورت قابل فهم از طريق نرم افزار MMI در اختيار اپراتور قرار گيرد.
سيستم عامل OS
سيستم عامل يا Operating System بعنوان بخشي از نرم افزار كل سيستم مي باشد كه در واقع نقطه انتهايي ارتباط با سخت افزار مي باشد. Os اجراي عمليات نرم افزاري را بر اساس سطح اولويت انجام مي دهد . همينطور سوئيچ نمودن برنامه ها بين حافظه اصلي و ديسك يك وظيفه اساسي سيستم عامل است.
نرم افزار جمع آوري اطلاعات و كنترل:
نرم افزار جمع آوري اطلاعات و كنترل با زير سيستمهايي كه دارد جريان اصلي اطلاعات و نيز كنترل شبكه و توزيع انرژي را سامان مي دهد.زير سيستمهاي اين نرم افزار وظايف كسب اطلاعات و كنترل،مديريت اطلاعات و كنترل تجهيزات مركز را بر عهده دارد.
الف ) كسب اطلاعات و كنترل
در اين قسمت اطلاعات ارسالي از پايانه ها شامل وضعيتها ، آلارمها و فرامين ارسالي پردازش مي شود.
MPP : زير سيستم MPP يا Multi Port Poller دائماً اطلاعات ديجيتال و آنالوگ پايانه ها را دريافت مي نمايد آنها را تعبير نموده و با توجه به فرامين كنترلي از ديگر زير سيستمها به پايانه ها ارسال مي نمايد و بر اجراي آنها نظارت دارد.
FEP: اين قسمت شاهراه اطلاعاتي بين ديگر زير سيستمها است.
SAP: در SAP (SCADA Application Processor) پردازش اصلي بر روي اطلاعات انجام مي شود و مديريت ارسال آنها به نرم افزار MMI را بر عهده دارد.
ب ) مديريت اطلاعات(Database Management)
تمامي فعاليت هاي زير سيستمهاي اين بخش مربوط به پايگاه داده اي مركز يا
(Database Management) مي باشد.
مديريت D.B: وظيفه روز آمد كردن يا on-line اطلاعات و داده ها را بصورت زمان حقيقي بر عهده دارد.
ويرايشگر D.B: همگام با تغيير شبكه برق و مشخصات آن ، وظيفه مهندسين نرم افزار مركز كنترل مي باشد كه اين تغييرات را در پايگاه اطلاعاتي مركز كنترل اعمال بنمايند. ابزار لازم براي اين كار ويرايشگر D.B مي باشد.
سازنده D.B: جهت ايجاد و توليد بعضي اطلاعات و سمبولها اين زير سيستم بكار مي رود.
ج ) كنترل تجهيزات مركز
كنترل و نظارت بر شبكه داخلي سخت افزار هاي موجود و انجام عمليات سوئيچينگ بين سخت افزار ها و نرم افزار هاي افزونه جزء وظايف زير سيستمهاي موجود در اين قسمت مي باشد.
HWM: به ازاي هر سخت افزار سيستم يك HardWare Manager (HWM) فعال خواهد بود و راه اندازي زير سيستم هاي خود و نظارت بر عملكرد صحيح آنها را بر عهده دارد.
NWM : بخش Network Manager(NWM) به ازاي تمام سخت افزار هاي موجود بصورت واحد بوده و راه اندازي اوليه سيستم ،نظارت بر عملكرد HWMها و جايگزيني HWMهاي افزونه در صورت تشخيص از كار افتادگي يكي از HWMها را بر عهده دارد.
نرم افزار PAS:
برنامه هاي PAS ابزاري هستند كه بهره بردار را در انجام اعمال مديريت انرژي ياري مي دهند . اين برنامه به هفت گروه : كنترل- نظارت- تجزيه و تحليل ايمني – افزايش ايمني – تجزيه و تحليل اقتصادي – برنامه ريزي و شبيه سازي آموزشي تقسيم مي شوند.كه بعلت كاربرد كمتر در بخش فوق توزيع به شرح يكايك آنها پرداخته نخواهد شد.
نرم افزار MMI:
از آنجا كه در سيستم اسكادا تصميم گيري نهايي به عهده انسان مي باشد. يكي از اصلي ترين وظايف سيستم كمك به اپراتور (كاربر) براي هرچه بهتر اداره كردن شبكه است.اين وظيفه را قسمتي از سيستم بنام "رابط انسان و ماشين" يا Man Machine Interfacing كه اختصاراً MMI ناميده مي شود انجام مي دهد.
در واقع اين قسمت اطلاعات شبكه را به شيوه اي مناسب در اختيار اپراتور قرار داده و فرامين او را در زمان لازم به اجرا در مي آورد.
MMI خود بواسطه تجهيزات چهارگانه اي كه در اختيار دارد ارتباط انسان و ماشين را ميسر مي سازد. اين تجهيزات عبارتند از :كنسول مهندسي، كنسول ديسپاچر ، ميميك دياگرام و دستگاههاي چاپگر اطلاعات
كنسول مهندسي: به منظور طراحي دياگرام تك خطي و ساير مشخصات پستهايي كه همراه با گسترش شبكه اضافه مي شوند و نيز ايجاد تغييراتي در دياگرام پستهاي موجود بكار گرفته مي شود.
كنسول ديسپاچر: به منظور كنترل شبكه در اختيار كاربر قرار دارد . از صفحات تلويزيوني عمدتاً به منظور نمايش دياگرامهاي تك خطي شبكه و آلارمهاي آن و از صفحات كليدي به منظور اعمال كنترل استفاده مي شود.
ميميك دياگرام : به منظور نمايش وضعيت تك خطي شبكه معمولاً يك تابلوي ديواري به نام ميميك در اتاق كنترل نصب مي شود.در كل ميميك بعنوان يك شماي كلي و ابزار جانبي اپراتور براي نظارت بر شبكه است.
دستگاه چاپگر اطلاعات: به منظور ضبط وقايع شبكه برق و چاپ اطلاعات آماري از دستگاههاي چاپگر استفاده مي شود.