اصطلاح SCADA از اواسط دهه ۱۹۶۰ با به کار گیری نخستین سیستم های کامپیوتر مرکزی جهت پایش فرایند های صنعتی متداول شد .در این زمان شرکت های GE[49] و Westinghouse در آمریکا پردازنده هایی که قابلیت استفاده در سیستم های SCADA را داشت تولید کرده بودند.با توجه به پیچیدگی ساختار نرم افزاری سیستم های SCADA ضرورت استفاده از سیستم های کامپیوتری با قابلیت های بیشتر احساس می شد.ینابراین شرکتهای دیگری مانند DEC[50] و SDS[51] وارد این عرصه شدند و کامپیوترهایی را به عنوان ایستگاه اصلی[۵۲] سیستم های SCADA طراحی نمودند. و قابلیت بازخوانی مداوم و پایش اطلاعات ، امکان هشدار و نمایش اطلاعات بر روی نمایشگرهای دیجیتال و ذخیره سازی اطلاعات به طور مداوم به این سیستم ها اضافه شد. بسیاری از سیستم های SCADA بر اساس بازخوانی مداوم اطلاعات از طریق ارسال درخواست از طریق سرور مرکزی و ارسال پاسخ از طرف درگاههای ارتباط از راه دور RTU[53] عمل می کردند. درگاههای ارتباطی RTU در ابتدا توسط عرضه کنندگان سیستم SCADA توسعه یافته اند.RTU ها از قطعات الکترونیک که برروی بردهای مدار چاپی PCB[54] نصب شده بودند در مکان هایی که لازم بود اطلاعات جمع آوری شود مانند تابلوهای کنترل نصب می شدند ازآنجا که RTU ها با سیستم کنترل مرکزی ارتباط مداوم داشتند نیاز به یک پروتکل ارتباطی برای پاسخ سریع ضروری می نمود که دارای امنیت بالایی در انتقال اطلاعات باشد .بنابراین برای اطمینان از رسیدن صحیح اطلاعات هر بسته از کاراکترهای CHECKSUM استفاده می شد . با توجه به لزوم انتقال سریع و امن اطلاعات تلاشهای بسیاری از طرف متخصصین IEEE[55] جهت استاندارد سازی پروتکل های ارتباطی انجام شد.توسعه درگا ه های ارتباطی بر مبنای تکنولوژی میکروپروسسور در ایستگاه مرکزی بسیاری از مشکلات را کاهش داده و یک پردازنده می تواند با RTU ها یی که دارای پروتکل های ارتباطی مختلف هستند در یک زمان ارتباط برقرار نماید .یک ساختار ساده از RTU ها شامل درگاه های ارتباطی، کنترلر منطقی مرکزی[۵۶]، ورودی و خروجی های دیجیتال[۵۷] و آنالوگ[۵۸] تشکیل شده است سیستم های SCADA توسعه یافته ممکن است دارای صدها RTU باشند [۱۲] .
۲-۶-۲- ساختار سیستم های SCADA
۱-درگاههای ارتباطی که شامل سیستم های RTU[59] و PLC[60] که با ادوات حسگر محیطی متصل شده اند و یا دستگا ه های دیگری را کنترل می نمایند.
۲-یک سیستم ارتباطی که برای انتقال اطلاعات بین حسگرها سیستم های کنترل و کامپیوترهایی که در مرکز کنترل SCADA هستند استفاده می شود .
۳-یک سیستم سرور مرکزی که به عنوان یک میزبان برای نصب نرم افزار SCADA مورد استفاده قرار می گیرد این سرور MTU[61] هم نامیده می شود.
۴-درگاه ارتباطی انسان-ماشین HMI[62] که شامل یک مجموعه از نرم افزارهای سفارشی و یا استاندارد است که ارتباط کاربر را با سیستم میزبان فراهم می کند و از طریق آن کاربر می تواند اطلاعات ناحیه ای را مشاهده کند و یا فرامین کنترلی مورد نیاز را اعمال نماید [۱۳] .
شکل ۲-۱- ساختار کلی سیستم های SCADA [13]
۲-۶-۳- عملیات در سیستم های SCADA
در سیستم های SCADA عملیات زیر به طور معمول انجام می گیرد :
جمع آوری اطلاعات : در این مرحله کلیه اطلاعات محیطی مورد نیاز توسط سیستم های سنجش و سنسور ها اندازه گیری می شود .اطلاعات محیطی شامل گستره وسیعی از پارامترهای فیزیکی مانند دما ، فشار ، شدت جریان ، توان ، ولتاژ و…. می باشد .که در هر مورد به وسیله تجهیزات مشخصی که به منظور سنجش اطلاعات محیطی طراحی شده اند اندازه گیری می گردد.
انتقال اطلاعات به سایت اصلی یا اتاق کنترل مرکزی : بعد از مرحله اندازه گیری پارامترهای محیطی اطلاعات بدست آمده توسط مبدل های آنالوگ به دیجیتال به صورت اطلاعات رقومی در می آید و تحت پروتکل های مشخص ارتباطی به سایت اصلی انتقال می یابد.
استخراج آنالیزها و یا کنترل های مورد نیاز:بعد از وارد شدن اطلاعات به سیستم SCADA این اطلاعات مورد پردازش قر ار می گیرد و نتایج مورد نیاز از پردازش اطلاعات بدست می آید و در صورت نیاز بر اساس الگوریتم های از پیش تعیین شده فرایند کنترلی مورد نیاز استنتاج می گردد.
نشان دادن اطلاعات بر روی مونیتورهای بهره برداران یا نمایشگرها :بعد از مرحله پردازش اطلاعات با توجه به ساختار نرم افزار و شکل برنامه آن اطلاعات مورد نیاز بهره برداران به صورت عددی و یا نمودار نمایش داده می شود .
در نهایت ارسال اعمال کنترلی مورد نیاز به فرایند:در مرحله آخر فرآیندهای کنترلی که ازمراحل قبلی استنتاج شده است جهت اعمال به سیستم های کنترل ارسال می گردد [۱۳].
۲-۶-۴- مزایای استفاده از سیستم های SCADA
کامپیوتر می تواند مقدار بسیار زیادی از اطلاعات را ثبت و ذخیره نماید.
اطلاعات می تواند به هر طریقی که بهره بردار می خواهد نمایش داد ه شود.
هزاران حسگر در یک محدوده وسیع می تواند به سیستم متصل گردد.
بهره بردار می تواند از ترکیب شبیه سازی اطلاعات واقعی سیستم استفاده نماید.
اطلاعات می تواند در هر جایی بدون محدودیت مکانی دیده شود .
با توجه به مطالب گفته شده در سیستم های SCADA با حجم انبوهی از داده ها مواجه هستیم که باید انتقال یابد و پردازش شود [۱۴] .
۲-۶-۵- کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت مصرف انرژی
وقتی ازدید صرفه جویی در مصرف انرژی به این موضوع مدیریت انرژی بپردازیم ، مدیریت انرژی فرایند پایش و کنترل و صرفه جویی در مصرف انرژی در سازمان ها و صنعت و منازل مسکونی می باشد.با توجه به این تعریف ما با چهار مرحله در مدیریت انرژی مواجه هستیم :
اندازه گیری مصرف انرژی و جمع آوری اطلاعات :بر اساس یک قانون کلی هرچقدر حجم اطلاعات دریافتی از مصرف کننده زیاد و با جزییات کافی باشد در تصمیم گیری برای کاهش مصرف انرژی نتیجه بهتری را در بردارد.در گذشته با توجه به فناوری های موجود اندازه گیری پارامترهای انرژی در دوره های زمانی طولانی و به وسیله اشخاص انجام می شد که نمی توانست نتیجه و دقت مورد نیاز را در بر داشته باشد و لی با پیشرفت تکنولوژی در سیستم ها ی SCADA این امکان فراهم گردید که بتوان این پارامترها را در بازه های زمانی بسیار کم اندازه گیری و ذخیره نمود .جمع آوری اطلاعات در دوره هایی با فاصله زمانی کمتر، امکان آنالیز دقیق و شناسایی عواملی که باعث هدر رفتن انرژی می شود را تسهیل می کند.
یافتن فرصت هایی برای کاهش مصرف انرژی .با توجه به اطلاعات بدست آمده از مصرف انرژی و بررسی منحنی ها در یک بازه زمانی می توان زمانهایی را که افزایش ناگهانی مصرف انرژی رخ داده مشخص نمود .و با ارزیابی مصرف کننده های مختلف در آن زمان خاص عوامل افزایش مصرف را شناسایی نمود .سیستم های SCADA این قابلیت را دارا هستند که مقدار مصرف انرژی را در بازه های زمانی کم ثبت نمایند با بررسی نمودار های حاصله در سیستم های SCADA می توان با توجه به زمان رویداد عواملی که باعث مصرف انرژی در یک بازه زمانی می شود را شناسایی نمود و با رفع آن عوامل مصرف انرژی را کاهش داد.
هدف گذاری فرصت ها برای کاهش مصرف انرژی : فقط شناسایی فرصت ها نمی تواند به صرفه جویی در مصرف انرژی کمک کند بلکه باید این مزیت ها هدف گذاری شوند یعنی باید با تکیه بر اطلاعاتی که از سیستم های SCADA حاصل می شود راه حل های موجود را اولویت بندی کرده و به ترتیب انجام دهیم .
ارزیابی میزان تاثیر فرایند بر صرفه جویی در مصرف انرژی :هنگامیکه عملیات مورد نیاز جهت صرفه جویی در مصرف انرژی انجام شد باید میزان تاثیر فرآیندها بر کاهش مصرف انرژی مورد ارزیابی و مقایسه قرار گیرد .با توجه به اینکه سیستم های SCADA قابلیت پایش و کنترل فرایند ها را دارند با بهره گرفتن از این سیستم ها عمل ارزیابی فرایند را می توان به نحو رضایتبخشی انجام داد [۱۵] .
۲-۷-نتیجه گیری فصل
در این فصل مبانی نظری تحقیق شامل تاریخچه مدیریت مصرف انرژی و مفاهیم آن و جنبه های مختلف کاربرد علم فناوری اطلاعات در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی مورد بررسی قرار گرفت و در ادامه ضمن تعریف سیستم های SCADA تاریخچه و ساختار این سیستم ها مورد بررسی شد و با توجه با اصول مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی جایگاه سیستم های SCADA در مراحل مختلف مدیریت مصرف انرژی مورد تحلیل قرار گرفت .
۳- پیشینه پژوهشی
۳-۱ –مقدمه
در این فصل پیشینه پژوهشی کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی بررسی می گردد و سپس نقاط ضعف و قوت هر روش مورد تحلیل قرار می گیرد و در ادامه روش هایی که جهت انجام این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته اند و دلایل استفاده از این روش ها مورد بررسی قرار می گیرد .
۳-۲-کاربرد سیستم های SCADA در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی
(Fisher,2010) [16] نقش سیستم های SCADA در مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی را به صورت زیر بیان می کند :
۳-۲-۱-صرف جویی در مصرف انرژی
۳-۲-۱ صرفه جویی در مصرف انرژی به صورت مستقیم
کاهش هزیته برق مصرفی
کاهش هزینه سوخت مصرفی
۳-۲-۲-صرفه جویی در مصرف انرژی به صورت غیر مستقیم
کاهش هزینه های پرسنلی و نیروی کار
کاهش هزینه مواد اولیه مورد نیاز
۳-۲-۲-کاربرد سیستم های SCADA برای افزایش بازدهی سازمان
کاهش در تعداد کارکنان
شناسایی سریع مشکلات سیستم
افزایش طول عمر دستگا ه ها
۳-۲-۳- مزایای صرفه جویی در مصرف انرژی
کاهش هزینه ها :
هزینه های مستقیم
