آشنایی با انواع سیستم های کنترل و کاربردهای آنها

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز:  بطور کلی انواع سیستم های کنترل به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

۱- سیستم کنترل مستقیم (Direct Digital Control) یا DDC

۲- سیستم کنترل توزیع شده (Distributed Control System) یا DCS

۳- سیستم کنترل کننده های برنامه پذیر (Programmable Logic Controllers) یا PLC

۴- سیستم کنترل میدان (Fieldbus Control Systems) یا FCS

در این میان سیستم کنترل متمرکز یا DDC که روی هر ورودی یا خروجی از طریق کامپیوتر کنترل مستقیم دارد، بطور کلی منسوخ شده است.

سیستم کنترل مستقیم

یکی از انواع سیستم های کنترل، سیستم کنترل مستقیم یا DDC است که از ابتدای دهه ۱۹۶۰ برای پشتیبانی از سیستم های آنالوگ بکار گرفته شد. در سیستم های DDC اپراتور توسط یک صفحه کلید و نمایشگر با سیستم ارتباط برقرار می کند. در این سیستم، تمامی اجزاء شامل انواع سنسورها و عملگرها به صورت مستقیم به کامپیوتر مرکزی متصل می شوند و تمامی آنها سیگنال های ارتباطی خود را از کامپیوتر دریافت یا به آن ارسال می کنند. کامپیوتر مرکزی قابلیت پردازش حجم زیادی از متغییرها را دارد، ولی با افزایش بیش از حد اطلاعات و به وجود آمدن حلقه های پیچیده، سرعت و کارآیی کامپیوتر پایین آمده و باعث به وجود آمدن مشکلاتی در سیستم می گردد.

سیستم کنترل مستقیم

برخی از دلایل ضعف سیستم کنترل مستقیم

۱- هزینۀ نگهداری بالا

۲- توقف كل سیستم در صورت بروز اشکال در پردازشگر مرکزی

٣- به دلیل استفاده از فقط یک پردازشگر در سیستم، برنامه نویسی آن دشوار است.

۴- هزینۀ زیاد سیم کشی و کابل کشی

۵- عدم کارایی در فواصل طولانی

۶- دشواری کشف خطا در سیستم توسط تکنسین ها

دیاگرام سیستم کنترل مستقیم

سیستم کنترل توزیع شده

سیستم کنترل توزیع شده یا DCS در دهه ۱۹۶۰ وارد عرصه کنترل فرآیند شد و سیستم های DDC را تکمیل کرد. یک سیستم کنترل توزیع شده،یکی از انواع سیستم های کنترل است که عملکرد آن بجای اینکه در یک نقطه متمرکز باشد، به صورت پراکنده است.

یک سیستم کنترل توزیع شده از تعدادی ماژول های میکرو پروسسوری تشکیل شده است که با همکاری یکدیگر عملکرد یک سیستم را کنترل و مانیتور می کنند. کامپیوترها با توجه به جغرافیای محل، توزیع می شوند بنابراین این مسئله باعث کاهش هزینۀ نصب و سیم کشی می گردد.

DCS یک شبکه کامپیوتری است، اما با شبکه های خانگی و یا اداری موجود تفاوت دارد، زیرا در DCS، برخلاف آنچه در پردازش های دسته ای در کامپیوترهای اداری با خانگی دیده می شود، مسئله پردازش Real Time مطرح است.

تفاوت این دو روش پردازش در نحوۀ اجرای برنامه های آنها است. در کامپیوترهای معمولی، نحوۀ پردازش به این صورت است که در یک زمان، تنها یک برنامه اجرا می شود، بطوری که این برنامه با یک سری داده های ثابت و مشخص شروع به محاسبات پیچیده نموده و در نهایت به نتایج مطلوب ختم می گردد و هنگامی که پردازش تمام شد برنامه متوقف شده تا برای اجرای مجدد با یک سری داده جدید فرمان بگیرد.


سیستم کنترل توزیع شده
در روش پردازش Real Time در سیستم کنترل توزیع شده نیز پردازش با یک سری داده ثابت شروع می شود، با این تفاوت که اجرای همان برنامه بطور مداوم تکرار شده و داده ها را با توجه به داده های مرحله قبل تازه می کند. بعنوان مثال می توان از کنترل اتوماتیک سرعت ماشین به عنوان یک عملکرد Real Time نام برد. کنترل با داده ثابت سرعت شروع و در هر مرحله سرعت ماشین نمونه برداری می شود و با توجه به اختلاف آن با سرعت مطلوب، سیگنال های کنترلی مبنی بر باز و بسته شدن دریچۀ بنزین اعمال می گردند. یک کنترلر DCS نیز بدین طریق عمل می کند، یعنی به طور مداوم از صدها یا هزاران سیستم تحت کنترل نمونه برداری کرده و محاسباتی را بر مبنای یک طرح مشخص برای سیستم های مربوطه تکرار می کند.

داده های فیزیکی که از محیط دریافت می شود را می توان به دو گروه اصلی تقسیم نمود:
الف) داده های آنالوگ:

این نوع از داده ها بطور پیوسته تغییر می کنند. داده های آنالوگ از طریق حلقه های کنترلی و نرم افزاری که بر حسب نیاز ممکن است شامل کنترلرهای نسبی یا PID باشد، آنالیز شده و سیگنال های خروجی مناسب صادر می شود.

ب) داده های گسسته:

کار کردن با آنها ساده بوده و با توجه به سیگنال های دریافتی و روابط منطقی، ورودی را قطع یا وصل می کنند. برای دریافت داده ها از محیط DCS مانند تمام کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی، یک سرى المان هایی مانند دماسنج، فشارسنج، آمپرمتر مورد نیاز است. مقادير المان ها به سیگنال های الکتریکی تبدیل شده و DCS آنها را خوانده و به دیجیتال تبدیل می کند. داده های بدست آمده در موارد زیر استفاده می شوند:

– حلقه های کنترلی (فیدبک ها) جهت کنترل آنالوگ

– اجرای برنامه های منطقی جهت صدور دستورالعمل های قطع و وصل

– نمایش مقادیر روی صفحه مانیتور

– تهیه گزارش از وضعیت سیستم

– اعلام خطر در وضعیت نامناسب سیستم تحت کنترل و عملیات های دیگری که متناظر با نوع سیستم، قابل تعریف است.

مزایای سیستم کنترل توزیع شده نسبت به سیستم های قدیمی

– قابلیت گسترش و تطبیق به دلیل ماژولار بودن سیستم

– قابلیت کنترل بالا به دلیل آنکه می توان به راحتی الگوریتم کنترل پروسه را تغییر داد.

– قابلیت مجتمع سازی کارکردهای سیستم – قابلیت نگهداری آسان پس از نصب

– برخلاف سیستم متمرکز، در DCS به علت تقسیم بندی کنترل، اگر یکی از ماژول ها خراب شوند کنترل بر روی قسمت های دیگر بدون هیچ نقصی به کار خود ادامه می دهد؛ به این پدیده Fault Isolation گفته می شود.

-سیستم های DCS دارای قابلیت گسترش هستند. در سیستم کنترل مرکزی، گسترش سیستم مستلزم تعویض پردازنده مرکزی و خرید یک سیستم پیشرفته تر است، اما در DCS می توانید با افزایش ماژول های کنترلی، عملکرد کنترل را گسترش دهید.

– برنامه نویسی DCS در محیط های سطح بالا انجام می شود. این امر برخلاف کنترلرهای PLC می باشد که نوشتن برنامۀ آنها نیازمند آشنایی با سیستم های میکروپروسسوری است.

همانطور که قبلاً توضیح داده شد، DCS می تواند از ماژول های کنترلی بسیاری تشکیل شده باشد که بطور مستقل و همزمان عمل می کنند؛ بعلاوه دارای قابلیت ارتباط سریع بین ماژول های خود است که از طریق خطوط ارتباطی با بزرگراه داده به روش Real Time امکان پذیر است.

سخت افزار DCS

سخت افزار هر سیستم DCS را می توان به اجزاء کلی ذیل تقسیم نمود:

واحد کنترلر و پردازنده
مدارات واسط ورودی خروجی
مجاری و مدارات واسط ارتباطی
Redundance (پشتیبان)
Diagnostics (خطا یابی)

واحد کنترلر و پردازنده

واحد کنترلر و پردازنده به منظور پیاده سازی الگوریتم های کنترلی روی ورودی ها و خروجی های مناسب جهت راهبری فرآیند مربوطه بکار گرفته می شود. با توجه به نیاز اجرای الگوریتم های پیچیده و مفصل در یک واحد زمانی کوچک، ضرورت استفاده از یک پردازنده پر قدرت در این بخش محسوس است.

پیاده سازی این الگوریتم ها نیاز به تجهیزات شبیه سازی و تست خاص، تسلط کافی به زبان ماشین و یا زبان های کاربردی پردازندۀ مورد استفاده دارد که همه این موارد، استفاده از واحدهای مبتنی بر پردازنده های سری اینتل و کارت های مبتنی بر ساختار PC جهت پیاده سازی آن را بیش از پیش توجیه پذیر می سازد.

مدارات واسط ورودی خروجی

این واحدها وظیفۀ دریافت اطلاعات از ترانسدیوسرها و سنسورها و یا اعمال نتایج حاصل از منطق کنترلی به اجزاء دیگر سیستم کنترل از قبیل عملگرها، شیرها و… را دارا می باشند.

در یک سیستم کنترل گسترده، این واحدها باید حداقل دارای امکانات زیر باشند:
۱) ایزولاسیون کامل
۲) حداقل امکان تنظیم
۳) امکان عیب یابی داخلی و اطمینان از صحت عملکرد توسط خود واحد
۴) امکان برقراری ارتباط با پردازنده اصلی
۵) امکان پیاده سازی برخی پیش پردازش ها
۶) امکان جایگزینی و عیب یابی بصورت On Line
۷) امکان استفاده بصورت پشتیبان
۸) سرعت نمونه برداری قابل قبول
۹) تفکیک پذیری و دقت قابل قبول در مبدل های آنالوگ به دیجیتال

با توجه به این نیازها، استفاده از مدارات مبتنی بر پردازنده در این گونه واحدها نیز اجتناب ناپذیر است. اما به دلیل محدود بودن حوزۀ عملکرد هر واحد، امکان به کارگیری پردازنده هایی با قدرت کمتر و یا خاص در آنها مهیا است. یکی از مسائل عمده در این واحدها پیاده سازی ایزولاسیون کامل است.

در انواع دیجیتال، این ایزولاسیون با استفاده از یکی از ساده ترین روش ها یعنی Opto Isolation امکان پذیر است، ولی در انواع آنالوگ با توجه به تنوع و دقت مورد انتظار از این گونه سیستم ها و همچنین قابلیت خود تنظیمی این اجزاء، بحث کمی پیچیده تر و مشکل تر می گردد.

مدارات واسط ارتباطی

یکی از مهم ترین و در عین حال پیچیده ترین بخش های سیستم DCS مدارات واسط ارتباطی است. این شبکه ها به بخش های مختلف تقسیم می گردند. از جمله این بخش ها می توان موارد ذیل را نام برد:
۱) شبکه ارتباطی بین کارت های ورودی خروجی و واحدهای پردازنده و کنترلر
۲) شبکه ارتباطی بین واحدهای پردازنده و کنترلرهای مختلف
۳) شبکه ارتباطی بین تجهیزات HMI و کنترلرها
۴) شبکه ارتباطی بین سیستم DCS

پشتیبان (Redundance)

یکی از مباحث مهم در سیستم های کنترل، امنیت عملیاتی و در دسترس بودن سیستم در طول زمان است. به این منظور از سیستم های Redundance استفاده می گردد. این سیستم در کلیه سطوح سخت افزار سیستم از قبیل واحدهای ورودی/خروجی شبکه های ارتباطی، منابع تغذیه و… بسته به ماهیت فرآیند و درجه امنیت آن پیاده سازی می گردد.

پیاده سازی عملی واحدهای Redundance یکی دیگر از مشکلات اساسی سیستم های گسترده است، چراکه با توجه به Real Time بودن بخش ها، اجزاء باید به گونه ای عمل کنند تا حین تعویض، هیچ گونه شوک به سیستم وارد نشود و این تعویض به صورت Hot در سرویس باشد و در آن لحظه، کلیه اطلاعات و عملکرد اجزاء دیگر را در اختیار داشته باشند. این امر نیازمند به یک ارتباط اطلاعاتی کامل بین این اجزا است، ضمن این که شرایط مختلف تعويض حالت نیز باید برای سیستم به صورت دقیق تعریف گردد.



عیب یابی یا اشکال زدایی (Diagnostics)

یکی دیگر از مواردی که در ساخت و پیاده سازی یک سیستم DCS باید مورد توجه قرار گیرد، مسئله عیب یابی اتوماتیک و خود عیب یابی (Self-Diagnostics) در این گونه سیستم ها است. این عیب یابی باید شامل کلیه بخش های سخت افزار از قبیل واحدهای کنترلر، کارت های ورودی/خروجی شبکه های ارتباطی، تجهیزات HMI و … باشد که به این منظور با استفاده از الگوریتم های خاص و بکارگیری تمهیدات مختلف در طراحی سخت افزار سیستم می توانید به این امر مهم دسترسی پیدا کنید. معمولاً محدوده Diagnostic هر بخش باید حداقل شامل تشخیص خطا و اعلام به اپراتور و یا مهندس سیستم جهت رفع آن باشد.



پایانه های کاربر
پایانه های اپراتوری

این قسمت در واقع رابط بین اپراتور و DCS است. داده های روی صفحه نمایش مرور می شوند و اپراتور با توجه به این اطلاعات دستورالعمل های لازم را به سیستم اعلام می کند. اطلاعات از طریق موس، صفحه کلید، مانیتورهای لمسی و صفحه کلید اپراتوری وارد می گردند. صفحه کلید اپراتوری که در سیستم های معمولی دیده نمی شود، صفحه کلیدی است که بوسیلۀ فشار هر دكمه که مربوط به یک عمل خاص سیستم کنترل است، شرایط خاصی را در کامپیوتر فعال می کند و بدین ترتیب عمل مربوطه انجام می پذیرد. در صفحه کلید اپراتوری هر کلید برای کار خاصی بوده و عملکرد آن مشابه کلیدهای Hot Key در صفحه کلیدهای معمولی است.

پایانه های مهندسی

از نظر ظاهر مانند پایانه های اپراتوری هستند و فقط از نظر نرم افزاری تفاوت دارند، ولی در صورت لزوم می توانند به جای آن هم استفاده شوند. اما معمولاً برای مقاصد زیر بکار می روند.
الف) تنظیمات مربوط به کنسول ها و اطلاعات پایه
ب) تغییر دادن اطلاعات اصلی و اولیه
ج) نصب نرم افزارهای کاربردی سیستم کنترل گسسته

معمولاً پایانه های مهندسی برخلاف پایانه های اپراتوری بصورتOff Line به کار می روند.



نرم افزارها و استانداردها

طی دو دهۀ اخیر فعالیت های اساسی پیرامون استاندارد کردن پروتکل های ارتباطی در سطح جهانی شروع شده است که موسسه استاندارد بین الملل ISO ( International Standard Organization) با طرح مدل OSI (Open Systems Interconnection) در سال ۱۹۷۸ آغازگر این حرکت بود.

نحوه ارتباط DCS با سیستم های مختلف

در خیلی از کاربردها باید DCS با کامپیوترها و سیستم های میکروپروسسوری ارتباط برقرار کند:

– هنگام اتصال و تبادل اطلاعات با کامپیوترها سیستم اطلاعات مدیریت

– اتصال و تبادل اطلاعات با کامپیوترهای مدل کننده

– هنگام اتصال با انواع PLC

و در حالت کلی ارتباط با کامپیوترهایی که دارای سیستم عاملی از نوع دیگر هستند.

بنابراین لازم است که اطلاعات ارسالی ابتدا ترجمه شوند، بدین منظور از سخت افزاری به نام Translator Box یا Host Gate Way استفاده می شود. این سخت افزار به منظور ترجمه باید برنامه نویسی گردد. بنابراین این سخت افزارها با توجه به نوع ترجمه، دارای درایوهای مختلفی هستند که بین خود و DCS رابطه ای از نوع Master / Slave برقرار می کنند. مثلاً هنگام اتصال DCS یا DCS، PLC بعنوان Master از طریق سخت افزار توسط درایو خاصی با PLC تبادل اطلاعات می کند. مسئله فوق از لحاظ هماهنگی هنگام ارتقاء نوع کنترل یک پروسه بزرگ به DCS بسیار مهم است.

سیستم کنترل کننده های برنامه پذیر

در سال ۱۹۸۵ انجمن ابزار دقیق آمریکا که بعدها کمسیون بین المللی الکتروشیمی نیز به آن پیوست، شروع به بنیان گذاری یک استاندارد برای ارتباطات دیجیتال دو طرفه بین ابزار دقیق و انواع سیستم های کنترل برای مقاصد کنترل فرآیند نمود که تا امروز، تنها یکی از هشت قسمت طراحی شده از این استاندارد تحت عنوان IEC1158-2 کامل شده است که عبارت است از: “استاندارد لایه فیزیکی فیلدباس” که از سال ۱۹۹۰ در دسترس بوده و به سیستم کنترل کننده های برنامه پذیر یا PLC معروف است.



با ایجاد فیلدباس و استانداردهای آن به عنوان یکی از انواع سیستم های کنترل، سیستم های کنترلی به صورت کاملاً توزیع شده اداره می شوند. فیلدباس علاوه بر امکان ارتباط سیگنال ها بين ابزار دقیق در سایت و اتاق کنترل، امکان انتقال تغذیه مورد نیاز تجهیزات را نیز توسط یک جفت سیم میسر می سازد که این ویژگی به صرفه جویی قابل توجه در هزینه های کابل کشی و سینی های نگهدارنده کابل می شود. فیلدباس، یک پروتکل مخابراتی استاندارد، بین تجهیزات سایت و اتاق کنترل است. یکسان بودن پروتکل در شبکه فیلدباس باعث می شود تا محصولات شرکت های مختلف در یک شبکه به هم متصل شوند و کار کنند.

سیستم کنترل میدان

امروزه سیستم فیلدباس به عنوان یکی از انواع سیستم کنترل، انقلابی در صنایع مختلف ایجاد کرده است. به علاوه، این سیستم به عنوان نسخه بعدی و پیشرفته تری از DCS شناخته می شود. این سیستم فرق های اساسی زیر را با DCS دارد:

DCS یک سیستم نیمه توزیع یافته است در حالیکه فیلد باس کاملاً توزیع یافته است.
DCS یک سیستم نیمه دیجیتال است در حالیکه فیلد باس كاملاً دیجیتال است.
فیلد باس یک معماری کامل برای کنترل فرآیند بوده و نسبت به DCS از پیچیدگی کمتری برخوردار است.
فیلد باس به کارت های آنالوگ/دیجیتال و Inter face احتیاجی ندارد، زیرا ارتباطات اساساً دیجیتال است.
فیلد باس به کارت های کنترلر (CPU) احتیاجی ندارد زیرا کنترل ها در تجهیزات فیلد (Field Device) انجام می گیرند.
فیلد باس به دروازه داده (Data Gateway) احتیاجی ندارد.
فایده فیلد باس در زمینه کاهش تجهیزات اتاق کنترل مثل Rack های ورودی و خروجی و نیز کارت های شرطی (Conditioning) است. لازم به ذکر است که Field bus DCS با ارزش تر از یک سیستم فیلدباس تنها (Stand- Alone) است.

مزایای سیستم کنترل میدان

یک سیستم FCS قیمت اولیه کمتری نسبت به DCS مشابه دارد. حذف سیم کشی ها و ابزارهای موجود در Field و تجهیزات اتاق کنترل که بطور معمول در DCS کاربرد داشتند در این کاهش قیمت مؤثرند. به علاوه افزایش اطلاعات مثل اطلاعات مربوط به Diagnostic و دقت بالاتر به کمک ارتباطات دیجیتال را نیز به همراه خواهد داشت.

ابزارهای کمتر

بسیاری از ترانسمیترهای فیلدباس چند متغیره (Multi- Variable) هستند، مثل ترانسمیترهای دو کاناله دما که دو دما را محاسبه کرده و هر دو را به صورتReal-Time ارسال می کنند.

قابلیت خطایابی (Diagnostics )

ارتباطات دیجیتال، دستیابی به اطلاعات ساختاری، داده های ارسالی از ابزارهای موجود در Field و جزئیات خطاها را از طریق اتاق کنترل میسر می سازد. عیب یابی اتوماتیک مربوط به هر ابزار در Field، اشتباهات یا مشکلات بوجود آمده را سریعاً گزارش داده و امکان مشاهده سريع خطاهای Device های مختلف را حتی قبل از بروز هر آسیبی میسر می کنند. خطاهای سخت افزاری مثل خطای سنسورها و Actuatorها و نیز خطاهای نرم افزاری مثل خطای پیکربندی (Configuration) حتی بدون نیاز به عیب یابی دستی سیستم، قابل گزارش و برطرف کردن هستند. بنابراین اپراتورها بدون مراجعه به Field بلافاصله تشخیص می دهند که یک مشکل در این فرآیند به اجزاء Field مربوط می شود یا نه.

به دلیل دیجیتال بودن سیگنال ها قابلیت اطمینان سیستم از عیب یابی افزایش می یابد.

برخلاف DCS سیستم Field bus از ترانسمیتر گرفته تا ورودی دیجیتال یک شیر کنترلی، کاملاً دیجیتال است. وجود سیگنال های دیجیتال در انتهای حلقه کنترل، امکان ارسال داده به فرآیند بسیار دقیق و پیچیده را فراهم می سازد. کابل های ارتباطی تجهیزات فیلد باس می توانند صدها متر امتداد داشته باشند بدون اینکه نویزها و یا اعوجاج های معمول در ارتباطات آنالوگ در آنها رخ دهد. ضمناً متغیرهای محاسباتی یا کنترلی که بین فانکشن بلوکها رد و بدل می شوند علاوه بر داشتن مقدار، یک حالت را در بر می گیرند که حاوی اطلاعات مربوط به حد سیگنال و کیفیت آن می باشد.

استفاده ساده تر و آسان تر

پیکربندی تمام اجزاء با استفاده از روش فانکشن بلوک به یک شیوه انجام می شود و احتیاجی به آموزش برنامه ریزی های مختلف اجزاء یا زبان های برنامه نویسی نمی باشد، زیرا تمام تولید کنندگان صرفه نظر از این که از چه وسیله ای استفاده کرده باشند، بلوک تابع (Function Block) مشابهی را استفاده می کنند. برای مثال یک ترانسمیتر دما و فشار از تولید کنندگان مختلف، به روش پایه های مشابه عمل می کنند که باعث کاهش پیچیدگی کار و نیز آموزش به اپراتور می شود. در این سیستم، کلیه ابزارها از طریق یک زوج سیم که کار تغذیه الکتریکی تجهیزات را نیز بعهده دارند به یکدیگر متصل بوده و با هم ارتباط داشته و انتقال اطلاعات مورد نیاز از این راه صورت می پذیرد.

سرعت اطلاعات مناسب (Data Rate)

سرعت انتقال اطلاعات در این سیستم برابر با ۳۱٫ ۲۵Kbit / Sec است، اما در حالی که سرعت بالایی ندارد ولی برای کنترل فرآیندهای شیمیایی مناسب است. لازم به ذکر است که در اکثر سیستمها حتى DCS در خصوص سیستم های توقف اضطراری (Emergency Shutdown) از سیستمی غیر از سیستم اصلی و معمولاً از PLC که سرعت بهتری دارد، استفاده می گردد.

اجزاء سیستم فیلد باس

در یک سیستم فیلد باس، ارتباط دادن قطعاتی که در Field کاری قرار می گیرند ساده است. به طور معمول هر قطعه می تواند با دوازده قطعه دیگر روی یک باس به صورت موازی متصل و سیم بندی شود. ضمناً افزودن قطعاتی که سیستم را مقیاس پذیر (Scalable) می کنند نیز آسان می شود. همچنین سیستم می تواند به منظور پاسخگویی به احتیاجات جدید، گسترش داده شود. در بسیاری از موارد، قطعات می توانند بدون احتیاج به یک Interface یا کابل دیگر با هم مرتبط شوند. از آنجایی که این سیستم از نوع باز (Open) است، محصولات متنوع سازندگان مختلف با قابلیت اتصال به این شبکه عرضه شده است.

 

منبع: الیکا الکتریک