نظام التحكم الصناعي

نظام التحكم الصناعي ( ICS ) هو نظام تحكم إلكتروني وأجهزة قياس مرتبطة به، يُستخدم للتحكم في العمليات الصناعية . تتفاوت أنظمة التحكم في حجمها، بدءًا من وحدات تحكم معيارية قليلة مثبتة على لوحة، وصولًا إلى أنظمة تحكم موزعة (DCS) كبيرة مترابطة وتفاعلية، تضم آلاف الوصلات الميدانية. تستقبل أنظمة التحكم البيانات من أجهزة استشعار عن بُعد تقيس متغيرات العملية (PVs)، وتقارن البيانات المُجمعة مع نقاط الضبط المطلوبة (SPs)، وتستخلص وظائف التحكم التي تُستخدم للتحكم في العملية من خلال عناصر التحكم النهائية (FCEs)، مثل صمامات التحكم .

تُنفذ الأنظمة الأكبر حجماً عادةً بواسطة أنظمة التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA)، أو أنظمة التحكم الموزعة (DCS)، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، على الرغم من إمكانية تقليص حجم أنظمة SCADA وPLC إلى أنظمة صغيرة ذات حلقات تحكم قليلة. ^{[ 1 ]} تُستخدم هذه الأنظمة على نطاق واسع في صناعات مثل المعالجة الكيميائية، وصناعة اللب والورق، وتوليد الطاقة، ومعالجة النفط والغاز، والاتصالات.

تطورت أنظمة التحكم في العمليات الصناعية الكبيرة عبر مراحل عديدة. في البداية، كان التحكم يتم عبر لوحات تحكم محلية في المصنع. إلا أن هذا كان يتطلب وجود موظفين لمتابعة هذه اللوحات المتفرقة، ولم تكن هناك رؤية شاملة للعملية. وكان التطور المنطقي التالي هو نقل جميع قياسات المصنع إلى غرفة تحكم مركزية مزودة بموظفين بشكل دائم. في كثير من الأحيان، كان المتحكمون موجودين خلف لوحات غرفة التحكم، وكانت جميع مخرجات التحكم الآلي واليدوي تُنقل بشكل فردي إلى المصنع على شكل إشارات هوائية أو كهربائية. وبذلك، تم توحيد جميع لوحات التحكم المحلية، مما وفر مزايا تقليل الحاجة إلى القوى العاملة والحصول على نظرة شاملة للعملية.

However, whilst providing a central control focus, this arrangement was inflexible as each control loop had its own controller hardware, so system changes required reconfiguration of signals by re-piping or re-wiring. It also required continual operator movement within a large control room in order to monitor the whole process. With the coming of electronic processors, high-speed electronic signalling networks and electronic graphic displays, it became possible to replace these discrete controllers with computer-based algorithms, hosted on a network of input/output racks with their own control processors. These could be distributed around the plant and would communicate with the graphic displays in the control room. The concept of distributed control was realised.

The introduction of distributed control allowed flexible interconnection and re-configuration of plant controls such as cascaded loops and interlocks, and interfacing with other production computer systems. It enabled sophisticated alarm handling, introduced automatic event logging, removed the need for physical records such as chart recorders, allowed the control racks to be networked and thereby located locally to the plant to reduce cabling runs, and provided high-level overviews of plant status and production levels. For large control systems, the general commercial name distributed control system (DCS) was coined to refer to proprietary modular systems from many manufacturers that integrated high-speed networking and a full suite of displays and control racks.

While the DCS was tailored to meet the needs of large continuous industrial processes, in industries where combinatorial and sequential logic was the primary requirement, the PLC evolved out of a need to replace racks of relays and timers used for event-driven control. The old controls were difficult to reconfigure and debug, and PLC control enabled networking of signals to a central control area with electronic displays. PLCs were first developed for the automotive industry on vehicle production lines, where sequential logic was becoming very complex.^[2] It was soon adopted in a large number of other event-driven applications as varied as printing presses and water treatment plants.

يعود تاريخ أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) إلى تطبيقات التوزيع، مثل خطوط أنابيب الطاقة والغاز الطبيعي والمياه، حيث تبرز الحاجة إلى جمع البيانات عن بُعد عبر روابط قد تكون غير موثوقة أو متقطعة ذات نطاق ترددي منخفض وزمن استجابة عالٍ. تستخدم أنظمة SCADA نظام تحكم مفتوح الحلقة مع مواقع متباعدة جغرافيًا. يستخدم نظام SCADA وحدات طرفية عن بُعد (RTUs) لإرسال بيانات الإشراف إلى مركز التحكم. لطالما امتلكت معظم أنظمة RTU قدرة على إدارة التحكم المحلي في حال عدم توفر المحطة الرئيسية. ومع ذلك، فقد تطورت أنظمة RTU على مر السنين لتصبح أكثر قدرة على إدارة التحكم المحلي.

تتلاشى الحدود بين أنظمة التحكم الموزعة (DCS) وأنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA/PLC) مع مرور الوقت. ^{[ 3 ]} لم تعد القيود التقنية التي فرضت تصميم هذه الأنظمة المختلفة تشكل عائقًا كبيرًا. تستطيع العديد من منصات PLC الآن العمل بكفاءة عالية كأنظمة DCS صغيرة، باستخدام وحدات الإدخال/الإخراج عن بُعد، وتتمتع بموثوقية كافية تسمح لبعض أنظمة SCADA بإدارة التحكم ذي الحلقة المغلقة عبر مسافات طويلة. مع تزايد سرعة المعالجات الحديثة، باتت العديد من منتجات DCS تتضمن مجموعة كاملة من الأنظمة الفرعية الشبيهة بـ PLC، والتي لم تكن متوفرة عند تطويرها في البداية.

في عام 1993، ومع إصدار معيار IEC-1131، الذي أصبح لاحقًا IEC-61131-3 ، اتجهت الصناعة نحو زيادة توحيد معايير البرمجة باستخدام برمجيات تحكم قابلة لإعادة الاستخدام ومستقلة عن الأجهزة. ولأول مرة، أصبح البرمجة كائنية التوجه (OOP) ممكنة في أنظمة التحكم الصناعية. وقد أدى ذلك إلى تطوير كل من وحدات التحكم الآلية القابلة للبرمجة (PAC) والحواسيب الصناعية (IPC). هذه منصات تُبرمج باستخدام لغات IEC الخمس القياسية: منطق السلم، والنص المنظم، وكتلة الوظائف، وقائمة التعليمات، ومخطط الوظائف التسلسلي. كما يمكن برمجتها بلغات برمجة عالية المستوى حديثة مثل C أو C++. بالإضافة إلى ذلك، تقبل هذه المنصات نماذج مطورة باستخدام أدوات تحليلية مثل MATLAB و Simulink . وعلى عكس وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة التقليدية (PLC) التي تستخدم أنظمة تشغيل احتكارية، تستخدم الحواسيب الصناعية نظام Windows IoT . تتميز أجهزة الكمبيوتر الصناعية (IPCs) بمعالجات متعددة النوى فائقة الأداء، وتكاليف أجهزة أقل بكثير من وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) التقليدية، كما أنها تتناسب مع أشكال متعددة، مثل التركيب على سكة DIN، أو دمجها مع شاشة لمس كجهاز كمبيوتر لوحي ، أو كجهاز كمبيوتر مدمج. وقد ساهمت منصات الأجهزة والتقنيات الجديدة بشكل كبير في تطوير أنظمة التحكم الموزعة (DCS) وأنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA)، مما زاد من تداخل الحدود بينها وتغيير تعريفاتها.

تعتمد أبسط أنظمة التحكم على وحدات تحكم صغيرة منفصلة، ​​لكل منها حلقة تحكم واحدة . تُثبّت هذه الوحدات عادةً على لوحة أمامية، مما يسمح برؤية اللوحة الأمامية مباشرةً، ويوفر وسيلة للتدخل اليدوي من قِبل المشغل، إما للتحكم اليدوي في العملية أو لتغيير نقاط ضبط التحكم. في الأصل، كانت هذه الوحدات تعمل بالهواء المضغوط، ولا يزال بعضها قيد الاستخدام، ولكن معظمها الآن إلكتروني.

يمكن إنشاء أنظمة بالغة التعقيد باستخدام شبكات من وحدات التحكم هذه التي تتواصل عبر بروتوكولات قياسية في هذا المجال. تتيح الشبكات استخدام واجهات تشغيل SCADA محلية أو عن بُعد، كما تُمكّن من ربط وحدات التحكم وتداخلها. مع ذلك، كلما ازداد عدد حلقات التحكم في تصميم النظام، يصبح استخدام وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو نظام تحكم موزع (DCS) أكثر جدوى من حيث الإدارة والتكلفة.

نظام التحكم الموزع (DCS) هو نظام تحكم رقمي للعمليات (PCS) خاص بعملية أو مصنع، حيث تُوزّع وظائف التحكم ووحدات الاتصال الميدانية في جميع أنحاء النظام. ومع ازدياد عدد حلقات التحكم، يصبح نظام التحكم الموزع أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بوحدات التحكم المنفصلة. إضافةً إلى ذلك، يوفر نظام التحكم الموزع إمكانية الإشراف والمراقبة والإدارة على العمليات الصناعية الكبيرة. في نظام التحكم الموزع، ترتبط مجموعة من وحدات التحكم عبر شبكات اتصال ، مما يسمح بإنشاء غرف تحكم مركزية ومراقبة وتحكم محليين داخل المصنع. ^{[ 4 ]}

يُتيح نظام التحكم الموزع (DCS) سهولة تكوين عناصر التحكم في المصنع، مثل الحلقات المتتالية وأنظمة التعشيق، وسهولة الربط مع أنظمة حاسوبية أخرى، مثل أنظمة التحكم في الإنتاج . ^{[ 5 ]} كما يُتيح معالجة أكثر تطوراً للإنذارات، ويُدخل تسجيل الأحداث تلقائياً، ويُلغي الحاجة إلى السجلات الورقية مثل مسجلات الرسوم البيانية، ويسمح بربط معدات التحكم بشبكة، وبالتالي وضعها محلياً بالقرب من المعدات التي يتم التحكم بها لتقليل الكابلات.

يستخدم نظام التحكم الموزع عادةً معالجات مصممة خصيصًا كوحدات تحكم، ويستخدم إما وصلات خاصة أو بروتوكولات قياسية للاتصال. وتشكل وحدات الإدخال والإخراج المكونات الطرفية للنظام.

تستقبل المعالجات المعلومات من وحدات الإدخال، وتعالجها، ثم تحدد إجراءات التحكم التي ستنفذها وحدات الإخراج. تستقبل وحدات الإدخال المعلومات من أجهزة الاستشعار في العملية (أو الحقل)، بينما ترسل وحدات الإخراج التعليمات إلى عناصر التحكم النهائية، مثل صمامات التحكم .

يمكن أن تكون مدخلات ومخرجات المجال إما إشارات تناظرية متغيرة باستمرار ، على سبيل المثال، حلقة التيار أو إشارات ثنائية الحالة التي يتم تشغيلها أو إيقافها ، مثل نقاط تلامس المرحل أو مفتاح أشباه الموصلات.

يمكن لأنظمة التحكم الموزعة عادةً أن تدعم أيضًا Foundation Fieldbus و PROFIBUS و HART و Modbus وغيرها من ناقلات الاتصال الرقمية التي لا تحمل إشارات الإدخال والإخراج فحسب، بل تحمل أيضًا رسائل متقدمة مثل تشخيص الأخطاء وإشارات الحالة.

نظام التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA) هو بنية نظام تحكم تستخدم الحواسيب، وشبكات اتصالات البيانات، وواجهات المستخدم الرسومية لإدارة العمليات الإشرافية على مستوى عالٍ. تتم إدارة واجهات المشغل، التي تُمكّن من مراقبة العمليات وإصدار أوامرها، مثل تغييرات نقاط ضبط وحدة التحكم، من خلال نظام حاسوب SCADA الإشرافي. مع ذلك، تُنفَّذ عمليات منطق التحكم في الوقت الفعلي أو حسابات وحدة التحكم بواسطة وحدات شبكية تتصل بأجهزة طرفية أخرى، مثل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ووحدات التحكم PID المنفصلة، ​​والتي بدورها تتصل بمصنع أو آلات المعالجة. ^{[ 6 ]}

طُوّر مفهوم نظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) كوسيلة عالمية للوصول عن بُعد إلى مجموعة متنوعة من وحدات التحكم المحلية، والتي قد تكون من مُصنّعين مختلفين، مما يسمح بالوصول إليها عبر بروتوكولات الأتمتة القياسية . عمليًا، تطورت أنظمة SCADA الكبيرة لتصبح مشابهة جدًا لأنظمة التحكم الموزعة في وظيفتها، ولكنها تستخدم وسائل متعددة للتفاعل مع المصنع. بإمكانها التحكم في عمليات واسعة النطاق تشمل مواقع متعددة وتعمل عبر مسافات شاسعة. ^{[ 7 ]} يُعد هذا النظام بنية شائعة الاستخدام في أنظمة التحكم الصناعية، ومع ذلك، توجد مخاوف بشأن تعرض أنظمة SCADA لهجمات الحرب الإلكترونية أو الإرهاب الإلكتروني . ^{[ 8 ]}

يعمل برنامج SCADA على مستوى الإشراف، حيث تُنفذ إجراءات التحكم تلقائيًا بواسطة وحدات التحكم عن بُعد (RTUs) أو وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs). عادةً ما تقتصر وظائف التحكم في SCADA على التجاوز الأساسي أو التدخل على مستوى الإشراف. يتم التحكم في حلقة التحكم التغذية الراجعة مباشرةً بواسطة وحدة التحكم عن بُعد أو وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، بينما يراقب برنامج SCADA الأداء العام للحلقة. على سبيل المثال، قد تتحكم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة في تدفق مياه التبريد عبر جزء من عملية صناعية إلى مستوى محدد، لكن برنامج نظام SCADA يسمح للمشغلين بتغيير نقاط الضبط للتدفق. كما يُمكّن SCADA من عرض وتسجيل حالات الإنذار، مثل فقدان التدفق أو ارتفاع درجة الحرارة.

تتراوح وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) من أجهزة معيارية صغيرة مزودة بعشرات منافذ الإدخال والإخراج (I/O) في غلاف مدمج مع المعالج، إلى أجهزة معيارية كبيرة مثبتة على رفوف مزودة بآلاف منافذ الإدخال والإخراج، والتي غالبًا ما تكون متصلة بشبكات مع أنظمة PLC وSCADA أخرى. ويمكن تصميمها لتناسب ترتيبات متعددة للمدخلات والمخرجات الرقمية والتناظرية، ونطاقات درجات حرارة واسعة، ومقاومة للتشويش الكهربائي ، ومقاومة للاهتزاز والصدمات. وعادةً ما تُخزن برامج التحكم في تشغيل الآلات في ذاكرة مدعومة ببطارية أو ذاكرة غير متطايرة . ^{[ 9 ]}

تُعدّ أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) عرضةً للهجمات الإلكترونية. ويُعتبر مشروع MOSAICS (الوعي الظرفي المُعزز لأنظمة التحكم الصناعية)، وهو مشروع تجريبي مشترك لتكنولوجيا القدرات (JCTD) تابع للحكومة الأمريكية، أول عرض تجريبي لقدرات الدفاع السيبراني لأنظمة التحكم في البنية التحتية الحيوية. ^{[ 10 ]} يلبي مشروع MOSAICS حاجة وزارة الدفاع الأمريكية (DOD) التشغيلية إلى قدرات الدفاع السيبراني لحماية أنظمة التحكم في البنية التحتية الحيوية من الهجمات الإلكترونية، مثل أنظمة الطاقة والمياه والصرف الصحي، وأنظمة السلامة، التي تؤثر على البيئة المادية. ^{[ 11 ]} سيتم مشاركة النموذج الأولي لمشروع MOSAICS JCTD مع القطاع الصناعي التجاري من خلال أيام الصناعة لإجراء المزيد من البحوث والتطوير، وهو نهج يهدف إلى ابتكار قدرات رائدة في مجال الأمن السيبراني لأنظمة التحكم في البنية التحتية الحيوية. ^{[ 12 ]}

• الأتمتة
• أنظمة معالجة المصنع وأنظمة الإغلاق في حالات الطوارئ
• MTConnect
• مؤسسة OPC
• نظام السلامة المجهز (SIS)
• أمن أنظمة التحكم
• التكنولوجيا التشغيلية

• دليل أمن أنظمة التحكم الصناعية (ICS) ، SP800-82 Rev2، المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، مايو 2015.
• ووكر، مارك جون (2012-09-08). وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة: تاريخها، نشأتها، وتطبيقاتها (ملف PDF) (أطروحة دكتوراه). قسم الاتصالات والأنظمة، كلية الرياضيات والحوسبة والتكنولوجيا: الجامعة المفتوحة . مؤرشفة (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2018-06-20 . تاريخ الاسترجاع: 2018-06-20 .

• "العصر الجديد لأجهزة التحكم الصناعية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2016-03-03.
• بروفيو ، نظام مفتوح المصدر للتحكم في العمليات
• "10 أسباب لاختيار التحكم القائم على الحاسوب الشخصي" . أتمتة التصنيع . فبراير 2015.