پروتکل های ارتباطی اسکادا

در یک سیستم اسکادا (SCADA)، پایانه‌ی راه دور (RTU) فرمان‌ها را دریافت، و آن‌ها را روی سیگنال‌های کنترلی اعمال می‌کند و مقادیر آنالوگ خروجی را تنظیم می‌نماید. پایانه به درخواست‌های مرکز بالادستی (Master Station) یعنی اسکادا پاسخ می‌دهد و وضعیت‌ها، مقادیر و داده‌های جمع‌آوری شده را ارسال می‌کند. درک و تحلیل داده‌های ارسال شده، تنها در صورتی امکان‌پذیر است که یک مکانیزم آدرس‌دهی یکتا بین پایانه راه دور و اسکادا پیاده‌سازی شده باشد. پروتکل زبان مشترک اسکادا و پایانه راه دور است که براساس آن یک مکانیزم آدرس‌دهی یکتا تعریف می‌شود. این آدرس‌دهی باید طوری طراحی شود که با سیگنال‌های تعریف شده در پایگاه داده‌ی اسکادا ارتباط یک به یک داشته باشد. پایانه درکی از اطلاعاتی که دریافت یا ارسال می‌کند ندارد، یعنی نمی‌داند مقادیر تغییر یافته چه ارتباطی با دنیای واقعی دارند و معنای آنها چیست. پایانه تنها اطلاعاتی را از طریق کارت‌های ورودی دریافت می‌کند و تحت یک شیوه‌ی آدرس‌دهی آن‌ها را ارسال می‌نماید. اما اسکادا، آن بخشی از سیستم است که باید «بداند» مثلاً وضعیت اولین سیگنال دریافت شده از پایانه‌ی شماره ۲۷ وضعیت یک کلید مدار خاصی در یک قسمت خاص از پلنت است.

هر پروتکل شامل دو سری پیغام است. یک سری از پیغام‌ها از اسکادا که مرکز بالادستی است ارسال می‌شود و شامل درخواست‌های مرکز اسکادا است، و دسته‌ی دیگر پیغام‌هایی است که از پایانه به عنوان پاسخ یا تأیید درخواست مرکز ارسال می‌گردد.

SCADA Communication

تاریخچه پروتکل‌های باز

در گذشته پروتکل‌های مخابراتی در سیستم‌های اسکادا، به صورت اختصاصی تولید می‌شدند و توسعه می‌یافتند. هر کدام از پروتکل‌ها توسط یک شرکت تولید کننده، به عنوان یک بخش از سیستم کنترل صنعتی و برای رفع نیاز یک صنعت مشخص ایجاد شده بود. وقوع این مسأله ناگزیر بود، چرا که هیچ استاندارد مناسبی تا آن زمان تدوین نشده بود. با این وجود، پروتکل‌های اختصاصی مشکلاتی را برای کاربران به وجود می‌آوردند. با توسعه‌ی تأسیسات تحت کنترل، صاحبان صنایع مجبور می‌شدند سیستم کنترل را با استفاده از محصولات همان شرکت توسعه دهند، و در صورتی که می‌خواستند سیستم کنترل محصول شرکت دیگری را جایگزین کنند، ناگزیر به اعمال تغییرات ساختاری در بخش‌های اساسی سیستم کنترل می‌شدند.

با گسترش استفاده از سیستم‌های اسکادا و به وجود آمدن این مشکلات، نیازی برای تدوین استانداردهای باز به وجود آمد. ایجاد این نیاز موجب شد چندین سازمان در چندین کشور در این حوزه فعالیت کنند. با این حال، پذیرش اهمیت این استانداردها در دنیا، فرایند زمانبری بود.

مهم‌ترین سودمندی یک استاندارد باز، ایجاد سازگاری بین تجهیزات تولیدی شرکت‌های مختلف است. به این معنی که یک کاربر می‌تواند یک ایستگاه بالادستی شامل نرم‌افزار و سخت‌افزار اسکادا را از یک شرکت الف خریداری کند، و پایانه‌های راه‌دور (RTU) را از شرکت ب تأمین نماید. علاوه بر این، ممکن است پایانه راه دور تعدادی رله‌ی کنترلی داشته باشد که به تجهیزات الکترونیکی هوشمند (IED) متصل شود که آن‌ها نیز از همین پروتکل‌ها برای ارتباط استفاده می‌کنند. تمام این تجهیزات را می‌توان از تولیدکننده‌های مختلف تأمین کرد، که در راه‌اندازی اولیه نصب می‌شوند، یا با توسعه‌ی سیستم تحت کنترل و در طول زمان به تجهیزات پلنت اضافه می‌شوند. فهرستی از مزایای استفاده از پروتکل‌های باز و استاندارد در اینجا آمده است.

–  سازگاری بین تجهیزات برندهای مختلف
–  کاهش تعداد پروتکل‌های نیازمند پشتیبانی
–  کاهش هزینه‌های نرم‌افزاری
–  عدم نیاز به مبدل‌ها و مترجم‌های پروتکلی
–  تست، تعمیر و آموزش کمتر
–  مستندات کامل‌تر
–  قابلیت توسعه‌ی سیستم
–  گسترش و اعمال سریع‌تر تکنولوژی‌های جدید

توسعه‌ی استانداردها

با شناخت نیاز تدوین استانداردهای باز برای پروتکل‌های مخابراتی اسکادا، سازمان‌های استاندارد در یک دوره‌ی چندساله استانداردهای مناسبی را تصویب کردند. این پروسه منجر به تولید دو پروتکل مخابراتی استاندارد برای اسکادا در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ شد، که شامل مدل معماری پروتکل (Enhanced Protocol Architecture) و جزئیات ساختار چارچوب پیغام‌ها (Message Frame Format) بود. این دو پروتکل DNP 3.0 و IEC 60870-5-101 هستند.

این دو استاندارد باز پروتکلی که برای پشتیبانی از سازگاری بین سیستم‌ها در کاربردهای کنترل از راه دور تدوین شده‌اند، بیشترین کاربرد را در کل دنیا دارند و در صنعت عمومی‌تر هستند. امروزه DNP در امریکای شمالی، امریکای جنوبی، آفریقای جنوبی، آسیا و استرالیا کاربرد گسترده‌ای دارد، اما IEC 60870-5-101 در منطقه‌ی اروپا بسیار به کار رفته است.

این مطلب اقتباس و ترجمه‌ای است از بخش‌های کتاب‌های زیر:

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) Systems, NATIONAL COMMUNICATIONS SYSTEM, www.comtechnologies.com

Gordon R. Clarke et al, Practical modern SCADA protocols: DNP3, 60870.5 and related systems, Newnes, 2004 ISBN 0-7506-5799-5