کنترلرهای صنعتی

مقدمه:
در اوايل دهه ۱۹۶۰ ادوات وكنترلر هاي الكترونيكي جايگزين كنترلرهاي نيوماتيكي شدند كه از مزاياي اين كنترلر هامي توان سرعت و دقت زياد و كم حجم بودن آنها را نام برد. طولي نكشيد كه كامپيوترهاي ديجيتال كه قابليت پردازش لوپها ي كنترلي را داشتند، جايگزين كنترلرهاي الكترونيكي شدند. كامپيوتر مركزي پس از دريافت تمام متغير هاي پروسسي از طريق وروديها و

دستورات صادره توسط اپراتور از طريق صفحه كليد ، آنها را طبق برنامه كنترلي از قبل نوشته شده پردازش و نتايج اين پردازش را از طريق خروجيها به محركهاي نهايي كنترل اعمال مي كنند. اين نوع كنترل اصطلاحا DDC (Direct Digital Control) ناميده مي شود و در آن اپراتور توسط يك صفحه كليد و يك نمايشگر VDU(Visual Display Unit) با سيستم ارتباط بر قرار مي

كند. كامپيوتر مركزي قابليت پردازش حجم زيادي از متغير هاي زماني وپروسسي را دارد ولي با افزايش بيش از حد اين اطلاعات، سرعت و كارايي كامپيوتر پايين آمده و به كامپيوتري با ظرفيت و سرعت زياد نياز مي شد و اگر كامپيوتر مركزي از كار مي افتاد باعث از كار افتادن كل سيستم كنترلي و پروسس مي شد.

كنترل و اتوماسيون يكي از مهمترين مباحث نيروگاهها مي‌باشد. بطور كلي سه عضو اصلي هر سيستم كنترلي، واحد اندازه‌گيري و واحد تغييردهنده كميت(Actuator) و كنترلر مي‌باشند. دو عضو اول در فيلد (جايي كه سيستم اصلي وجود دارد) و عضو سوم معمولا” در اتاق كنترل مي‌باشد.مساله مهم در روند كنترل به شكل فوق، موضوع سيگنالها مي‌باشد؛ سيگنالهايي كه بين دستگاه كنترل‌كننده و دستگاههاي نصب شده در فيلد، رد و بدل مي‌شوند. به منظور سهولت استفاده از كنترل‌كننده‌ها در صنايع مختلف، لزوم وجود يك استاندارد براي تعريف ماهيت سيگنالهاي مزبور، از مدتها قبل حس شده بود. ابتدا در سالهاي دهه ۵۰ ، بصورت استاندارد ، از سيگنالهاي بادي با فشار بين ۳-۱۵ psi براي اين منظور استفاده مي‌شد. با گسترش الكترونيك و با توجه به مشكلات روش قبلي، در دهه هفتاد ميلادي، استفاده از سيگنالهاي جرياني ۴ تا ۲۰ ميلي‌آمپر براي كار سيگنالينگ ، معرفي گرديدند. گرچه در اين سالها از سطوح ولتاژ و جريانهاي ديگري نيز، خارج از استاندارد فوق استفاده مي شد، اما رفته رفته، با توجه به مزاياي اين روش، ساير روشها كنار گذاشته شد. يكي از مهمترين مزاياي كاربرد حلقه جرياني ۲۰- ۴ ميلي‌آمپر، مصونيت بالاي آن نسبت به نويز بود.
در دهه ۹۰ سنسورهاي هوشمند (smart) پديد آمدند كه علاوه بر عملكرد يك ترانسميتر و يك ترانسديوسر، با بهره‌گيري از تكنولوژي ميكروپروسسور، در خود عمليات ديگري همچون كاليبراسيون، عيب‌يابي، تبديل واحد اندازه‌گيري و نيز بعضي از عمليات كنترلي را مي‌توانستند انجام دهند.

با توسعه شبكه‌هاي كامپيوتري و مفاهيم آن، ايده استفاده از اين تكنولوژي در پروسه كنترل صنعتي بوجود آمد و فيلدباس (Field bus) به اين صورت، شكل گرفت. فيلدباس يك پروتكل ارتباطي بين سنسورهاي هوشمند است كه توسط آن، سنسورها و ساير اجزاي كنترلي در فيلد، يك شبكه محلي LAN را تشكيل داده‌اند. مشخصات اصلي فيلدباس بصورت زير بيان مي‌شود:

 جايگزين ديجيتالي روش سنتي انتقال اطلاعات حلقه جرياني ۴ تا ۲۰ ميلي‌آمپر است.
 كنترل، آلارم ، منحنيهاي عملكردي (Trend) و ساير عمليات، توسط فيلدباس، بين اجزاي كنترلي ، توزيع مي‌شود.
 دستگاههاي ساخته شده توسط هر كمپاني، با رعايت استاندارد فيلدباس، قابليت كار با هم و در كنار هم را داشته باشند.

 Open system است، به اين معني كه بدون هيچگونه ليسانسي، كليه اطلاعات و جزييات آن برا همگان در دسترس است.

دستگاهها و سنسورهاي مورد استفاده در فيلدباس از نوع smart هستند. اما كليه سنسورهاي smart موجود ، قابل استفاده در فيلدباس نيستند. فيلدباس يك سيستم كامل است كه عمليات كنترل را بين دستگاههاي نصب شده در فيلد، توزيع مي‌كند و همزمان امكان تنظيمات و تغييرات و نظارت را در اتاق كنترل، توسط خطوط ارتباطي شبكه‌اي، فراهم مي‌سازد. فيلدباس بعبارت كوتاهتر، جايگزين روش سنتي ۴ تا ۲۰ ميلي‌آمپر و كنترل DCS كه در آن پروسه كنترل، به عهده يك يا چند كنترلر بصورت متمركز قرار دارد، شده است.

در شكل زير به صورت گرافيكي تفاوت بين مفهوم DCS و Fieldbus را مي‌توان مشاهده نمود. شكل سمت راست مربوط به فيلدباس و شكل سمت چپ ، مفهوم DCS را نشان مي‌دهد.

سیر تکامل سیستمهای کنترلی:
در اوايل دهه ۱۹۶۰ ادوات وكنترلر هاي الكترونيكي جايگزين كنترلرهاي نيوماتيكي شدند كه از مزاياي اين كنترلر هامي توان سرعت و دقت زياد و كم حجم بودن آنها را نام برد. طولي نكشيد كه كامپيوترهاي ديجيتال كه قابليت پردازش لوپها ي كنترلي را داشتند، جايگزين كنترلرهاي الكترونيكي شدند. كامپيوتر مركزي پس از دريافت تمام متغير هاي پروسسي از طريق وروديها و دستورات صادره توسط اپراتور از طريق صفحه كليد ، آنها را طبق برنامه كنترلي از قبل نوشته شده پردازش و نتايج اين پردازش را از طريق خروجيها به محركهاي نهايي كنترل اعمال مي كنند. اين نوع كنترل اصطلاحا DDC (Direct Digital Control) ناميده مي شود و در آن اپراتور توسط يك صفحه كليد و يك نمايشگر VDU(Visual Display Unit) با سيستم ارتباط بر قرار مي كند. كامپيوتر مركزي قابليت پردازش حجم زيادي از متغير هاي زماني وپروسسي را دارد ولي با افزايش بيش از حد اين اطلاعات، سرعت و كارايي كامپيوتر پايين آمده و به كامپيوتري با ظرفيت و سرعت زياد نياز مي شد و اگر كامپيوتر مركزي از كار مي افتاد باعث از كار افتادن كل سيستم كنترلي و پروسس مي شد.

DCS در واقع تكميل شده و توسعه يافته سيستم كنترل مركزي يا همان DDC مي باشد، كه سطوح مختلف كنترلي در آن بيشتر و تكميل تر مي باشد. در اين سيستم متغير هاي اندازه گيري شده توسط سيگنالهاي آنالوگ (ولتاژ،جريان و…) به كارتهاي ورودي DCS منتقل و اين سيگنالها پس از تبديل به معادل ديجيتال جهت پردازش وارد سيستم مركزي كنترل مي شوند و در رابطه با سيگنالهاي خروجي نيز نتايج پردازنده مركزي كنترل بصورت ديجيتال به كارتهاي خروجي ارسال و در آنجا

پس از تبديل اين سيگنالها به آنالوگ،به محرك ها اعمال مي شوند. در پايين ترين سطح اين سيستم (Process Controller) كار اندازه گيري متغير هاي پروسسي، كنترل لوپها توسط كنترلر هاي ميكروپروسسوري، اجراي Logic ها ، جمع آوري اطلاعات و آناليز آنها ، محاسبات و ارتباط با وسايل و ادوات ديگر انجام مي شود .

كارهاي انجام شده در پايين ترين سطح توسط اپراتورها قابل كنترل بوده و توسط يك Supervisor مشاهده و قابل ثبت مي باشد. در سيستم DCS از كار افتادن هريك از قسمتهاي كنترلي تاثير آنچناني بر پروسه كنترلي نداشته است و حتي با از كار افتادن سطوح بالا، سطوح پايين كه شامل Process Controller ها مي باشد، مي تواند كار كنترلي را ادامه دهد. در DCS سيگنال راه اندازه گيري شده و سيگنال ارسالي به ادوات توسط يك جفت سيم به ورودي و خروجيهاي Process Controller وصل مي شوند و ارتباط اين سطح باسطوح ديگر از طريق بزرگراههاي اطلاعاتي و شبكه خاص خود سيستم (Data Highway & Plant Network)

صورت مي گيرد و باعث كاهش هزينه سيم كشي و امكان اضافه نمودن ادوات بيشتر و ارتباط ادوات اضافه شده با ادوات موجود از طريق اين بزرگراههاي ارتباطي را مي دهد و بدين ترتيب توسعه سيستم آسانترو با كمترين هزينه صورت مي گيرد.

اساس كار كنترلرهاي PLC ميكروپروسسوري بوده و شبيه سيستمهاي كنترل مركزي و DCS عمل مي كنند ولي با قابليت هاي محدودتر و كمتر. اين نوع كنترلر ها جهت كنترل قسمتي از پروسس واحد كه مي تواند مستقل از كل واحد كار كرده و پروسه پيچيده اي ندارد، بكار رفته و جايگزين رله ها و تايمرهاي الكترومكانيكي شده و جهت اجراي برنامه هاي ترتيبي(Sequential) و گسسته (Discrete System) استفاده مي شوند. با وجود پيشرفتهاي زيادي كه تا كنون در زمينه ساخت و بكارگيري سيستم هاي كنترلي صورت گرفته ولي كنترلرهاي PLC هنوز كاربرد داشته و همراه سيستمهاي جديد بخشي از واحد پروسسي را كنترل مي كنند.

معرفي سيستم كنترل Fieldbus:
جديدترين تكنولوژي سيستم كنترل دردنيا مي باشد ، كه بعد از DCS به بازار آمده است. استاندارهايي در ارتباط آنالوگ(۴-۲۰mA و يا ۱-۵V ، براي سيگنال الكترونيكي و ۳-۱۵psi براي سيگنال نيوماتيكي) جهت انتقال سيگنال كنترل و ابزارهاي اندازه گيري ، از ادوات فيلد به اتاق كنترل وجود دارد. اما Fieldbus يك ارتباط ديجيتال با پروتكل خاص خود مي باشد. اين پروتكل متفاوت با ساير پروتكل ها مي باشد، زيرا در پروتكل هاي ديگر هدف فقط انتقال اطلاعات بوده ولي در طراحي پروتكل FCS اهداف كنترلي و كاربرد فرايند هاي فرايندي منظور شده و هدف صرف ارتباط ديجيتال نمي باشد.بحث ارتباط هوشمند در اواسط دهه ۸۰ ، تحول مهمي در زمينه ارتباط ديجيتال ايجاد كرد. به بيان ساده ، Fieldbus يك شبكه ارتباطي دو طرفه سريال و تمام ديجيتال با پروتكل Multi-drop ما بين ادوات و وسائل ابزار دقيقي هوشمند فيلد
(Intelligent Field Device)همچون سنسورها (Sensors) ، عملگرها (Actuators) ، ترانسميترها (Transmitters) و… با كنترلر و كنترل مركزي مي باشد و هدف در اين سيستم توزيع كار كنترلي و استراتژي كنترل در كل ادوات فيلد مي باشد.
IEC(International Electrotechnical Commission) پروتكل هاي زير را براي فيلد باس معرفي كرده است:
 Foundation Fieldbus and HSE
 Controlnet
 Profibus and Profinet
 P-NET
 WordFIP

 INTERBUS
 SwiftNet
Foundation Fieldbus) FF) ))از استاندارهاي معروف فيلد باس است كه در سال ۱۹۹۴ جهت اهداف زير معرفي شدو اين بخش به تو ضيح در مورد اين استاندارد اختصاص دارد:

۱٫ ترقي دادن فيلد باس و گسترش آن هم براي راحتي مصرف كننده و هم براي توليد كننده
۲٫ رسيدن به يك استاندارد مناسب و هماهنگ

به دليل سرعت تحولات و پيشرفت صنعت، بخصوص صنعت كنترل، سريع بوده و روز به روز سيستمهاي پيشرفته تري توليد مي شود و سيستم هاي قبلي و قديمي (Pneumatic&DCS) از رده خارج مي شوند، لذا از نظر آينده نگري و خصوصا از نظر اقتصادي طبيعي. منطقي به نظر مي رسد كه بجاي انتخاب سيستمي كه در حال از رده خارج شدن مي باشد و در سه يا چهار سال آينده مشكل قطعه يدكي و سرويس دهي از طرف سازندگان را خواهد داشت، سيستمي را انتخاب كرد كه حداقل با اين سرعت پيشرفت تا دو دهه ديگر نگراني مشكلات تعويض و از رده خارج شدن را نداشته باشد.شبكهFieldbus شبيه LAN بوده و تركيبي از سگمنتها مي باشد و هر سگمنت به يك كارت كنترلي به نام H1 متصل مي باشد و قابليت اتصال چند وسيله ابزار دقيقي را فقط با يك جفت سيم فراهم مي كند وجايگزين سيستم

Tranditional point-to- point) 4-20mA)شده است كه براي هر تجهيز فيلد يك جفت سيم بكار مي رود.سيگنال Fieldbus به وسيله سوار شدن بر روي يك ولتاژ مستقيم كه وظيفه تغذيه ادوات Fieldbus را دارد، منتقل مي شود. انجام اين كار بوسيله دستگاهي به نام Power Conditionكه مابين منبع تغذيه و شبكه Fieldbus قرار دارد، صورت مي گيرد و كنترل اين تبديل از طريق سيستم برنامه ريز گذرگاه به نام

LAS(Link Active Scheduler)انجام مي شود. سيگنالهاي FCS با استفاده از يك تكنيك خاص، تبديل به كد مي شود. اين سيگنال “ سيگنال سنكرون “ ناميده مي شود.
معرفي دو استراتژي Field bus و DCS:
فيلدباس يك پروتكل ارتباطي است كه بايد استاندارد گردد تا بصورت جهاني، مورد قبول و استفاده در آيد. فيلدباس همانگونه كه گفته شد يك سيستم ارتباطي ديجيتالي دو طرفه را جايگزين روش سنتي ۴ تا ۲۰ ميلي‌آمپر مي‌كند. مزاياي استفاده از اين سيستم ارتباطي جديد را مي‌توان بصورت زير درنظر گرفت:

 دقت و اقابليت اطمينان بيشتر اطلاعات رد و بدل شده
 امكان دسترسي متنوع‌تر به يك سنسور
 امكان عيب‌يابي و پيكربندي از راه دور
 كاهش حجم سيم‌كشي
 امكان استفاده از سيم‌كشي فعلي

قابليت اطمينان و دقت اين سيستم از آنجا ناشي مي‌شود كه سنسورها مجهز به ميكروپروسسور هستند و مثلا” در يك حلقه كنترلي، ميكروپروسسورهاي موجود در سنسور و شيرهاي كنترلي، مستقيما” با يكديگر اطلاعات را بصورت ديجيتالي رد و بدل مي‌كنند و نه به كمك مبدلهاي A/D و D/A كه خود منجر به بروز خطا مي‌شود. مزيت انتقال ديجيتالي در آن است كه نويزهاي موجود، به هيچ وجه نمي‌توانند كميت منتقله را دچار تغيير نمايند.

امكان دسترسي متنوع به يك سنسور هم به اين معني است كه مثلا” سنسور فشار كه وظيفه اصلي آن اندازه‌گيري فشار است، همزمان مي‌تواند دماي پروسه را هم اندازه‌گيري كرده و انتقال دهد.
تنظيمات و پيكربندي(Configuration) دستگاهها و همچنين كاليبره كردن آنها براحتي و از اتاق كنترل ميسر است.كاهش حجم سيم‌كشي نيز با توجه به آنكه، همگي يا گروهي از سنسورها بر روي فقط يك كابل دو رشته نصب شده‌اند و نيازي به سيم‌كشي مجزا براي هر سنسور تا اتاق كنترل نيست، مشهود مي‌باشد.

بسياري از پروتكلهاي فعلي سنسورهاي هوشمند (smart) غير فيلدباس، مختص فقط كمپاني سازنده خود است. استفاده از اين محصولات، باعث وابسته شدن مصرف‌كننده به يك شركت خاص است و اگر در طرح توسعه، نياز به سنسوري خاص باشد كه آن شركت نداشته باشد، مصرف‌كننده مجبور است به ۴ تا ۲۰ ميلي آمپر برگردد. اما يك سيستم باز (Open system) ، چيزي دقيقا” مخالف مورد بالاست. در يك سيستم باز، آخرين استانداردها براحتي در دسترس همگان است و

شركتهاي متعدد مي‌توانند سنسورها و تجهيزات خود را مطابق آن ساخته و به دست مصرف‌كننده برسانند. مطابق اين استاندارد و وجود استاندار ۴ تا ۲۰ ميلي‌آمپر باعث شده است كه سنسورها و تجهيزات مطابق اين استاندارد، بتوانند بدون هيچگونه مشكلي كار كنند. اين موضوع را انطباق و يا توانايي كار با هم گويند (Interoperability) . فيلدباس اين موضوع را نيز پشتيباني مي‌كند.سيستمهاي فيلدباس براي ايجاد ارتباط بهتر بين وسايل سطح field و واحد كنترل، درصنعت بوجود آمدند.

نگاهي به روش قديمي‌تر انتقال اطلاعات، ما را با ضرورت استفاده از باس آشنا مي سازد. پس از كنترلرهاي پنيوماتيكي و همزمان با استفاده از كنترلرهاي الكتريكي، مقدار استاندارد جريان ۴ تا ۲۰ ميلي آمپر براي انتقال اطلاعات آنالوگ بصورت استاندارد پذيرفته شد. در اين كنترل كننده ها براي هر كدام از وسايل سطح فيلد، بايد يك جفت سيم از اتاق كنترل كشيده مي شد و ارتباط از طريق اين سيمها فقط در يك جهت انجام مي شد. با پيشرفت تكنولوژي از شبكه هاي باس براي انتقال اطلاعات كنترل كننده هاي ديجيتالي جديد و ابزار دقيق هوشمند استفاده مي شد.