[ez-toc]
مقدمهای بر IIoT در شبکه گاز امریکا و تکامل اسکادا
فناوری IIoT یا اینترنت اشیای صنعتی، نقش کلیدی در تحول دیجیتال شبکه گاز امریکا ایفا کرده است. با گذار از سیستمهای سنتی اسکادا به معماریهای مدرن مبتنی بر محاسبات لبه، پروتکلهای ارتباطی هوشمند و پلتفرمهای ابری، صنعت گاز امریکا توانسته بهرهوری عملیاتی، امنیت سایبری و مدیریت هوشمند مصرف را ارتقاء دهد. این مقاله به بررسی روند تکامل سیستمهای اسکادا، جایگاه IIoT، معماری جدید ایستگاههای گاز، فناوریهای ارتباطی، و طرحهای ملی ایالات متحده در این حوزه میپردازد.
IIoT در شبکه گاز امریکا و روند تکامل سیستمهای اسکادا متناسب با تاریخچه پیشرفت این صنایع صورت گرفت، سیستمهای اسکادا از ابتدای دهه 60 تا کنون راه زیادی را طی کردهاند و طی 60 سال از سیستمهای یکپارچه قدیمی به سیستمهای مبتنی بر IIoT تبدیل شدهاند. نسل چهارم سیستمهای اسکادا طبق استانداردهای صنعت در حال استفاده است و به زودی نسل پنجم سیستمهای اسکادا وارد فضاهای صنعتی امریکا میشود. جدول زیر جزئیات تکامل نسلهای مختلف اسکادا را نشان میدهد.
جدول تکامل نسلهای مختلف سیستم اسکادا در صنعت گاز
| نسل اسکادا | دسته بندی | ویژگیها |
| نسل اول (1960 تا اواسط دهه 1970) | یکپارچه | RTUهایی که در سایتهای صنعتی به طور مستقیم به سیستمهای مینیکامپیوتر متصل میشوند که شامل سیستم مستقل با ریسک کم است. |
| نسل دوم (اواسط دهه 1970 تا اواخر دهه 1980) | توزیع شده | در این نسل خطر امنیتی از کم به متوسط افزایش یافته است، از ویژگیهای این نسل میتوان به دسترسبودن شبکههای LAN اختصاصی، کامپیوترهای کوچکتر و قدرت محاسباتی بیشتر، چندین سیستم متصل از طریق LAN و فاقد تعامل به دلیل قفل کردن از طرف فروشنده اشاره کرد. |
| نسل سوم (اواخر دهه 1980 تا 1990) | شبکه شده | با ظهور اترنت و فیبر نوری در نسل سوم، قابلیت همکاری در شبکه بهبود یافته، مقیاسپذیری سیستم اسکادا بیشتر شده و در نتیجه ریسک امنیتی افزایش یافته و هزینههای عملیاتی کمتر شده است. |
| نسل چهارم 2000 | سیستم یکپارچه اسکادا و اینترنت اشیاء | این نسل از اسکادا مجهز به اینترنت اشیاء، محاسبات ابری، دادههای بزرگ، SSL و TLS، وضعیت امنیتی را در حین تبادل دادهها بین سیستمهای اسکادا و شبکههای خارجی بهبود بخشیده است. رابطهای بهتر در دستگاههای دستی، قابلیت همکاری بیشتر، پایگاه داده SQL و پشتیبانی از سرویس وب از دیگر ویژگیهای این نسل است. |
اسکادای نسل پنجم و آینده مدیریت هوشمند منابع
نسل بعدی سیستمهای اسکادا محاسبات ابری را در هسته خود خواهند داشت و انتظار میرود که سیستمهای جدید مدیریت منابع را بهینه کنند و پروتکلهای امنیتی را افزایش دهند. حتی بدون دانش عمیق نرمافزار، میتوان برنامههای پیچیدهای را با استفاده از توسعه سریع برنامهها و جعبه ابزار سیستمهای اسکادا در عصر جدید طراحی کرد.
صنعت نفت و گاز (و صنایع دیگر) از دهه 80 از سنسورها، PLCها و به طور کلی از سیستمهای اسکادا برای هدایت عملیات روزانه استفاده کردهاند. پلتفرمهای قدیمی اسکادا از نظر اتوماسیون و کنترل تجهیزات پیشرفت بسیار خوبی داشته است، اما مهمترین مشکل آنها اغلب معماری غیرقابل توسعهشان بوده واینکه برای کاربرد خاص اختصاصی شدهاست. حتی دادههای با ارزشی که از تجهیزات در مرکز دریافت میشود بدون صرف زمان قابل توجه برای توسعه به راحتی در دسترس همه کاربران نمیباشد.
در سیستمهای اسکادای بهروز، معماری سرور و گیتوی مبتنی بر وب، همراه با پایه اتصال IIoT با انتقال داده از طریق پروتکل MQTT یک پلتفرم خدمات متمرکز را ایجاد میکند که میتواند به راحتی در سراسر مجموعه تکرار شود و استفاده مجدد را بدون توجه به موقعیت مکانی ایجاد کند.
ادغام IIoT با اسکادا، یک سیستم اسکادا کاملاً کارآمد و مقیاسپذیر را با چارچوب توسعه نرمافزار پروتکل MQTT ایجاد میکند و مزایای ذیل را ایجاد میکند :
- افزایش عمر تجهیزات عملیاتی
- فعالسازی لایههای فناوری از حسگرهای جدید
- ترکیب داشبوردهای تصمیم برای اقدام و تجزیه و تحلیل
- انتقال اقدامات کنترلی را به دستگاههای تلفن همراه
در شکل زیر نمونهای از ادغام اسکادا و IoT صنعتی نشان داده شده است. بیلینگ، CRM و ERP برنامههاي كاربردي سازماني صنعتي میباشند كه با اسکادا و IIoT يكپارچه میشوند.
محاسبات لبه را میتوان به عنوان سیستمهای در حال ظهور و پیشرفته جهت استقرار فعالیتها و عملیات مدیریت داده در منبع بدون نیاز به عبور از بخشهای متمرکز شبکه تعریف کرد. در اين حالت تجهيزات میتوانند محاسبات مربوط به خود را در لبه شبكه انجام دهند. برای دستگاههای IIoT، مانند دوربین هوشمند، لبه شبکه پردازنده درون دوربین خواهد بود، در حالی که برای تجهیزات غیر متصل به شبکه، لبه شبکه در داخل دستگاه هوشمند لبه متصل به تجهیزات خواهد بود. RTU در اين شبكهها با نام کنترل لبه یا کامپیوتر لبه شناخته میشوند.
قدرت پردازش در منبع داده یا “لبه” از طریق کامپیوتر لبه انجام میشود و دادههای ضروری بدون نیاز به ارتباطات سلولی مبتنی بر ابر، با کارآمدی بیشتری در این زمینه ارائه میشوند. پلتفرم ابر متمرکز همچنان برای تجزیه و تحلیل منابع فشردهتر، منطق کسب و کار و انبار دادهها استفاده میشود.
فناوریهای ارتباطی مورد استفاده در ایستگاههای گاز امریکا
فناوريهاي ارتباطي موجود در ايستگاههاي اندازه گيري و تنظیم فشار گاز در کشور امریکا به دو دسته زیر تقسيم میشوند.
- دسته اول: سيستم سنتي و مبتني بر IIoT است كه در اينصورت يك روتر يا مودم IIoT موجود است و اطلاعات RTU را به مركز كنترل ارسال میكند. فناوري ارتباطي كه اين مودم/روتر با مركز كنترل دارد به صورت سلولار 2G/3G/4G میباشد. در اين دسته دستگاهها يا سنسورهایي میتوانند به صورت بيسيم و مستقيم به روتر/مودم وصل شوند كه از طریق تكنولوژيهاي RF Mesh، Zigbee، bluetooth این اتصال بیسیم انجام میشود. تعداد معدودی از تجهيزات بيسيم نيز با تكنولوژي WiFi میتوانند به صورت مستقيم به روتر/مودم متصل شوند که دلیل کم بودن تعداد تجهیزات قابل اتصال به شبکه با تکنولوژی WiFi، مصرف بالای انرژی در شبکه WiFi است.
روتر/مودم علاوه بر سلولار میتواند از تكنولوژيهاي LPWAN از جمله LoRa، NB-IoT، SigFox استفاده كند و تجهيزات و سنسورهاي بيسيم جديد مجهز به اين فناوري با آن در ارتباط باشند.
- دسته دوم: سيستمهاي کنترل لبه هستند. در اين حالت سيستم از RTUهاي کنترل لبه استفاده میكند كه معمولاً کامپیوترهای صنعتي هستند. اين کامپیوترها را کامپیوتر لبه نیز مي نامند و پلتفرم مخصوص به خود را دارند. مودم داخلي اين کامپیوترها مجهز به 4G LTE يا 5G VPN میباشد و يا مجهز به فناوريهاي LPWAN مانند LoRa، NB-IoT، SigFox هستند.
اين نوع RTUها میتوانند به تجهيزاتي متصل شوند كه خود محاسبات لبه دارند. تجهيزات در اين سيستم مانند IIoT sensors، IIoT valves، security system به صورت مستقيم به کامپیوتر لبه متصل میشوند. فناوري ارتباطي این تجهیزات با کامپبوتر میتواند به صورت bluetooth، RF mesh، WiFi، Zigbee و غيره باشد.
مهمترین پروتکلهای IIoT و اسکادا در شبکه گاز ایالات متحده
از بين كليه پروتكلهاي ارتباطي كه براي IIoT استفاده میشود مجموعه اي از پروتكلهاي ارتباطي پر استفاده براي صنعت گاز آمريكا وجود دارد از جمله: پروتكلهاي MQTT، OPC-UA، TCP/IP و پروتكلهاي مرتبط با آن مانند DHCP و UDP و … ،DNP3 برای ارتباط با بالادست و پروتکلهای HART، Modbus RTU، Modbus TCP برای ارتباط با پایین دست.
جایگاه و نقش IIoT در پایش و کنترل شبکه توزیع گاز طبیعی
اگر یک سیستم اسکادا در شبکه توزیع و ایستگاههای تنظیم و اندازهگیری گاز طبیعی وجود دارد، میتوان راهحل IoT را با این سیستم یکپارچه کرد و دادهها را از یک دستگاه سیستمهای جمعآوری داده، جمعآوری نمود. با استفاده از قدرت و مقیاسپذیری IoT، میتوان از دادههای جمعآوریشده برای ایجاد طیف گستردهای از گزارشها مانند گزارشهای اثربخشی کلی تجهیزات، گزارشهای دادههای تولید و همچنین گزارشهای مربوط به میترینگ گاز استفاده کرد.
با این روش تجهیزات و PLC هوشمندتر خواهند شد و میتوانند در پلتفرمهای ابری مختلف ادغام شوند. این موضوع پلتفرمهای امنیتی جدید را فعال میکند که هر دادهای را که ثبت میشود را ایمنتر کند. این بدان معنی است که میتوان پیشرفتهایی را انجام داد که باعث صرفهجویی در هزینه میشود. از آنجایی که اسکادای قدیمی یک سیستم کنترل کامل نیست، بلکه یک سیستم کامپیوتری است که دادهها را به صورت لحظه اي جمعآوری و تجزیه و تحلیل میکند، از اين رو در نظارت و کنترل تجهیزات صنعتی مفید است.
همچنین اسکادا میتواند اطلاعات مربوط به یک اتفاق ناگوار را جمع آوری کند، آن را به یک سایت مرکزی منتقل کرده و به ایستگاه اصلی هشدار دهد. سپس هر گونه تجزیه و تحلیل و کنترل لازم را انجام دهد و اطلاعات را به صورت منطقی و سازماندهی شده برای انسان نمایش دهد تا بر اساس آن تفسیر انجام شود.
از طرفی به لطف IoT فرصتهایی برای ادغام مستقیم دنیای فیزیکی در سیستمهای مبتنی بر کامپیوتر ایجاد میشود. این امر منجر به بهبود کارایی، دقت و صرفه اقتصادی و همچنین کاهش دخالت انسان میشود. دستگاههای IoT آینده میتوانند مودمهای سلولی را بسازند که امکان ارتباط مستقیم با ابر را فراهم میکند. با تکامل ارتباطات 5G، این امکان وجود دارد که تمام کنترلها و تصمیمگیریها در فضای ابری انجام شود.
شکل های زیر ساختار سيستم ادغامي IIOT با فناوري لبه را نشان میدهد.
برنامههای فدرال و حمایت دولت امریکا از توسعه IIoT در صنعت گاز
همانطور كه در بخش قبل بیان گردید تلاش دولت ایالات متحده امریکا مجهز ساختن ايستگاههاي اندازهگيري و تنظیم فشار گاز به سیستمهای مبتني بر IIoT و محاسبات لبه است. در اين راستا فناوريهاي ارتباطي جديدتر مانند NB-IoT، LoRaWAN و يا فناوريهاي سلولار 5G نيز مدنظر میباشند. همچنين از هوش مصنوعي براي محاسبات و سنسورهاي ايمني تشخيص نشت گاز استفاده شده است.
هوش مصنوعي همچنين میتواند در ايجاد امنيت سايبري نقش اساسي داشته باشد. دپارتمان انرژي آمريكا گرنتهايي را براي پروژههاي شبكه هوشمند با عنوان SGIG اختصاص میدهد. بعلاوه طرحهای پژوهشی مختلفی نيز خارج از اين گرنت براي مدرن كردن ايستگاههاي اندازهگيري و تنظیم فشار گاز انجام شده است.
نتیجهگیری: آینده شبکه هوشمند گاز امریکا با IIoT
با توجه به رشد فناوریهای نوین مانند IoT صنعتی، محاسبات لبه، هوش مصنوعی و پروتکلهای پیشرفته ارتباطی، صنعت گاز امریکا در حال عبور از فاز سنتی به سمت شبکههای هوشمند گاز با مدیریت داده و کنترل بلادرنگ است. استفاده از پلتفرمهای ابری امن، کاهش زمان تاخیر تصمیمگیری، تحلیل خودکار نشت گاز، و کنترل از راه دور تجهیزات، تنها بخشی از دستاوردهای پیادهسازی IIoT است.
با حمایت دولت امریکا، از جمله طرحهایی مانند SGIG و گرنتهای دپارتمان انرژی، انتظار میرود تا سالهای آتی بخش عمدهای از ایستگاههای اندازهگیری و تنظیم گاز به فناوریهای هوشمند مجهز شوند. این مسیر، نهتنها مصرف انرژی را بهینه میکند، بلکه پایهگذار زیرساخت ایمن، پایدار و مقیاسپذیر در حوزه انرژی خواهد بود.
شبکه گاز امریکا در مسیر تحول دیجیتال، به سرعت در حال بهرهبرداری از فناوریهای پیشرفته مانند اینترنت اشیای صنعتی (IIoT)، پردازش لبه (Edge Computing) و پروتکلهای هوشمند ارتباطی مانند MQTT و OPC-UA است. این فناوریها نقش مهمی در نظارت لحظهای تجهیزات فشار گاز، بهینهسازی مصرف انرژی و مدیریت از راه دور تجهیزات صنعتی ایفا میکنند.
یکی از مهمترین اجزای تحول در این صنعت، سنسورهای هوشمند IIoT هستند که با استفاده از فناوریهای ارتباطی مانند NB-IoT، LoRaWAN و 5G به صورت بلادرنگ دادههای فشار، دما و جریان گاز را به پلتفرمهای ابری امن ارسال میکنند. این اطلاعات توسط گیتویهای صنعتی (Edge Gateway) جمعآوری و در سیستمهای اسکادا نسل چهارم و پنجم تحلیل میشوند.
با رشد تهدیدهای امنیتی در زیرساختهای انرژی، آمریکا در حال پیادهسازی امنیت سایبری صنعتی و زیرساخت کلید عمومی (PKI) در تجهیزات IIoT است تا از یکپارچگی، اصالت و محرمانگی دادهها اطمینان حاصل شود.
فناوری IIoT در شبکه گاز امریکا نهتنها به افزایش عمر تجهیزات، کاهش خرابی و کاهش هزینه تعمیرات کمک میکند، بلکه بستر لازم برای شبکه هوشمند توزیع گاز و تحلیل پیشگویانه مصرف را فراهم میآورد. پیشبینی میشود با تکمیل پروژههای دولتی مانند Smart Grid Investment Grant (SGIG)، بیش از ۸۰٪ ایستگاههای گاز تا سال ۲۰۳۰ به فناوریهای هوشمند مجهز شوند.
بخش پرسش و پاسخ
1. IIoT در شبکه گاز امریکا چه مزایایی دارد؟
IIoT باعث نظارت بلادرنگ، کاهش هزینههای عملیاتی، شناسایی نشت گاز، افزایش ایمنی، و بهینهسازی مصرف انرژی در شبکه توزیع گاز میشود.
2. چه تفاوتی بین اسکادای سنتی و اسکادای مبتنی بر IIoT وجود دارد؟
اسکادای سنتی بیشتر مبتنی بر معماریهای سختافزاری ایستا است، در حالی که اسکادای IIoT از ارتباط بیسیم، پلتفرمهای ابری و پردازش لبه استفاده میکند که مقیاسپذیری و امنیت بالاتری دارد.
3. چه فناوریهای ارتباطی در IIoT گاز امریکا استفاده میشوند؟
NB-IoT، LoRa، Zigbee، RF Mesh، LTE-M، و 5G VPN از جمله فناوریهایی هستند که برای اتصال سنسورها و RTUها در ایستگاههای گاز به کار میروند.
4. آیا امنیت سایبری در شبکه گاز امریکا رعایت میشود؟
بله، با استفاده از PKI، احراز هویت سختافزاری، امضای دیجیتال و رمزنگاری TLS/SSL امنیت دادهها و تجهیزات در سیستمهای IIoT تامین میشود.
5. آمریکا چگونه از هوش مصنوعی در شبکه گاز استفاده میکند؟
از الگوریتمهای یادگیری ماشین برای تحلیل دادههای حسگرها، پیشبینی مصرف گاز، تشخیص نشت و برنامهریزی نگهداری تجهیزات استفاده میشود.
