مقدمه اي بر سيستمهاي كنترل در نيروگاهها

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 50 ، بصورت استاندارد ، از سيگنالهاي بادي با فشار بين 3-15 psi براي اين منظور استفاده مي‌شد.

با گسترش الكترونيك و با توجه به مشكلات روش قبلي، در دهه هفتاد ميلادي، استفاده از سيگنالهاي جرياني 4 تا 20 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 20- 4 ميلي‌آمپر، مصونيت بالاي آن نسبت به نويز بود.

در دهه 90 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 4 تا 20 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 4 تا 20 ميلي‌آمپر و كنترل DCS كه در آن پروسه كنترل، به عهده يك يا چند كنترلر بصورت متمركز قرار دارد، شده است.
در ادامه به معرفي دو استراتژي Field bus و DCS مي‌پردازيم.
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 4 تا 20 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 4 تا 20 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 4 تا 20 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 4 تا 20 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. به اين ترتيب نياز به استفاده از مبدلهاي D/A,A/D از بين مي رفت. در ضمن از آنجايي كه سيگنال ديجيتال بطوردائم بر روي خط نيست، امكان اتصال چند وسيله به اين خط انتقال دوطرفه ممكن مي شد. به اين ترتيب انتقال اطلاعات از طريق باس، با كاهش سيم كشي و وسايل جانبي همراه شده و جايگزين روش قديمي تر 4-20 مي شد.
باس هايي كه در سيستمهاي اتوماسيون صنعتي استفاده مي شوند ويژگيهاي ديگري را نيز بايد به همراه داشته باشند :
- داشتن يك پروتكل open براي اينكه كاربر بتواند از روي ابزار دقيق ساخته شده توسط سازندگان مختلف، در شبكه خود استفاده كند. (به اين صورت interoperability و interchangeability وجود خواهد داشت)
- امكان استفاده در محيط هاي خطرناك لازم مي دارد كه محيط انتقال اطلاعات هم در برابر انفجار، ايمن باشند. مثلاً براي سيستمهاي فيلدباس، مدل FISCO يك راه براي بيان شرايط ايمن انتقال اطلاعات است. در شبكه field ذاتآ ايمن ، جريان و ولتاژ به وسيله Safety barrier P.S ها محدود مي‌شود.
- در پروسه هاي پيچيده (وبخصوص) خطرناك امكان قطع شبكه و تعويض device هاي شبكه بدون shut down كردن پروسه وجود ندارد. براي همين هم بايد امكان plug & play بودن براي اين وسايل وجود داشته باشد.
- شبكه دو سيمه: براي كاهش هزينه ها ، كوتاه كردن سيم كشي و كم كردن تعداد safety barrier ها، بجاي شبكه 4 سيم از شبكه 2 سيم استفاده مي شود و توان لازم هم از طريق خط سيگنال منتقل مي شود.
- Baud rate انتقال داده بايد به اندازه اي باشد كه تضمين كند سيكل زماني شبكه، از كمترين زمان لازم براي تغييرات اطلاعات كمتر باشد.
- امكان استفاده از توپولوژيهاي مختلف براي باس مثلاً line , tree و… امكان‌پذير باشد.
- علاوه بر موارد بالا، شبكه ها بايد قابل انعطاف بوده و از نظر اقتصادي نيز به صرفه باشند. به اين منظور تعداد ابزار دقيق هوشمند استفاده شده، بايد حداقل شود. شبكه انتقال اطلاعات بايد سطوح مختلفي داشته باشد و امكان انتقال اطلاعات براي عمليات سريع و بلادرنگ نيز بايد وجود داشته باشد.
هزينه سيستمهاي فيلدباس با توجه به كاهش هزينه هاي كابل كشي، برنامه نويسي و نصب تا حدود 40 درصد كمتر از سيستمهاي قديمي تر 4 تا 20 ميلي آمپر است. قابليت انعطاف اين سيستمها بالا و خطا در آنها كمتر است. كامپيوتر هاو PLC ها به راحتي مي توانند در اين شبكه ها قرار بگيرند و سيستمهاي نظارتي بسيار پيشرفته در آنها استفاده مي شود. همچنين به علت خاصيت interoperability تضمين شده در سيستمهاي فيلدباس، انتخاب Device ها كاملآ آزاد و مستقل از يك سازندة خاص است.
در سيستمهاي فيلدباس، كنترل به صورت توزيع شده واقعي انجام مي پذيرد. به اين معني كه عمليات كنترلي به صورت توابعي تعريف شده، بين Device هاي تشكيل دهندة يك حلقه كنترلي تقسيم مي شوند و از كنترل متمركز موجود در سيستمهاي DCS تا حدودي بي نياز مي‌گرديم. يعني كه Device ها (ترانسيمترها و عملگرها) در فيلدباس هموشمند هستند. بنابراين مي‌توان دريك شبكه فيلدباس،آنها را جزئي از شبكه دانست. در واقع دامنه ديد در كنترل با فيلد باس، تا لايه فيلد، وسيع مي گردد.
به عنوان آخرين و شايد مهمترين ويژگي سيستمهاي فيلدباس ، متذكر مي شويم كه دسترسي به اطلاعات ،چه از نوع مهندسي و چه از نوع مديريتي در اين شبكه ها بسيار آسان است.با توجه به هوشمند بودن وسايل و توانايي آنها در تهيه و ارسال اطلاعات كاملي از شرايط و نحوه كاركردخود ، همه گونه اطلاعات مهندسي براي مرتفع كردن مسايل نگهداري ، تعميرات ، ايمني ،شرايط خاص و ... در دسترس است. همچنين اطلاعات مديريتي ، از قبيل مديريت نگهداري ، كيفيت ، بازرگاني و ... با توجه به قابليت موجود در سيستمهاي فيلد باس به طور قابل توجهي افزايش يافته اســت .
امروزه بيش از 100 نوع سيستم فيلدباس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمي از آنها همه نيازهاي موجود در صنعت را به عنوان يك سيستم Field Network برآورده مي سازند.از ميان آنها دو سيستم فيلدباس مهم با يكديگر رقابت مي كنند؛ PROFIBUS كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسيا و آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد .

اهميت ارايه يك استاندارد جهاني براي فيلدباس، سازمانهايي مانند
- ISA (Instrument Society of America)
- IEC (International Electromecanical Commission
- Profibus (German National Standard)
- FIP (French national standard)

را بر آن داشت تا كميته فيلد باس SP50 (IEC/ISA) را تشكيل دهند.

در سال 1992 ، دو گروه كه شامل شركتهاي بزرگ جهاني بودند، هر كدام فيلدباس مربوط به خود را به بازار ارايه دادند. ضمن آنكه اعلام كردند كه به مجرد فرموله شدن استاندارد كميته SP50 ، محصولات خود را مطابق آن تغيير خواهند داد. اسامي اين دو گروه در زير آورده شده است :
- Interoperable System Project(ISP)
- World Factory Instrumentation Protocol(WorldFIP)

در سال 1994 ، دو گروه فوق نيز با هم متمركز شده و Foundation Fieldbus را در راستاي تسريع پروسه استانداردسازي فيلدباس، تاسيس كردند.
امروزه بيش از 100 نوع سيستم فيلد باس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمي از آنها، همه نيازهاي موجود در صنعت را به عنوان يك سيستم Field Network برآورده مي سازند. از ميان آنها دو سيستم فيلدباس مهم با يكديگر رقابت مي كنند. Profibus كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسيا و آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد.
ساير سيستمهاي فيلدباس مطرح عبارتند از:
- INTERBUS – S
- DeviceNet
- ARCNET
- AS-I
- Seriplex
- LonWorks
- SDS
- ControlNet
- CANopen
- Ethernet
- Modbus Plus
- Modbus RTU/ASCII
- Data Highway Plus(DH+)
سيستم كنترل توزيع يافته (DCS)
با معرفي ميكروپروسسورها ، و ميكروكامپيوترها به بازار ، كارهايي كه در يك پروسه بر عهده يك كامپيوتر بود بين ميكروپروسسورها و ميكروكامپيوترها تقسيم شد و باعث به وجود آمدن نسلي از روش كنترل به نام DCS شد. DCS مخفف Distributed Controller System است و هدف از آن، انجام عمليات كنترلي به صورت غيرمتمركز است.
برخلاف ظاهر سيستم DCS ، كليه كنترلرها به اتاق كنترل آورده شده اند و به نظر مي رسد كه كنترل به صورت متمركز انجام مي شود. اين در حالي است كه در سيستم هاي نيوماتيك كنترلرها اكثرا به صورت محلي وجود دارند كه در سايت نصب مي‌شوند؛ درحاليكه در DCS ، ديگر كنترلري در محل سايت نداريم. آنچه اساسا در سيستم DCS رخ مي دهد ؛ تقسيم عمليات كنترلي بين چندين كنترل كننده است كه در اتاق كنترل قرار گرفته اند ؛ به دليل همين تقسيم است كه سيستم Distributed نام گذاري شده است. در اين سيستم، حلقه هاي ساده اي متشكل از Field و كنترلر وجود دارد كه اين كنترلرها (ميكروپروسسورها) در يك لايه بالاتر در سطح supervisor به هم متصل هستند.
براي DCS مي توان چهارسطح كاري در نظر گرفت:
1- Field: در اين سطح ما با سنسورها و عملكردها سرو كار داريم.
2- Marshal cabinet: ترمينالهايي كه wiring را مرتب مي كنند در اين ترمينالها ايزولاتور ، signal conditioner barriers و… موجود است.
3- Process station: شامل كابينت هايي است كه داخلشان كارت I/O و كنترلرها قرار دارند.
4- Operator station: جايي كه اپراتور مي نشيند و plant را نظارت مي‌نمايد.
در اين جا I/O Bus به صورت سريال استو كنترلرهاي مختلف از طريق data highway به هم متصل مي‌شوندو معمولا" از پروتكل RS485يا RS232استفاده مي كنند. در سيستم DCS معمولا" كنترلرها به صورت Full redundant هستند( CPU و باتريها)، به اين صورت كه دو تا كنترلر در مدار وجود دارد يكي slave و ديگري master.
سيستم slaveدائما" سالم بودن master را چك مي كند و چنانچه به هر علتي، درست عمل نكند ، خود slave جاي سيستم Master را مي‌گيرد. كارت هاي I/O هم قابليت redundancy دارند ولي آنچه در مورد كارتهاي I/O بايد دقت شود آن است كه كارت هايي كه redundant يكديگر هستند در يك rack قرار نگيرند ؛ كه اگر احتمالا" back plane (بورد الكترونيكي كه PLC و كارتهاي I/O بر روي آن نصب مي‌گردند) دچار مشكل شد، بتوان از كارت redundant استفاده نماييم . نكته بسيار مهم در مورد DCS قابليت ذخيره سازي اطلاعات است.
در سيستم هاي قديمي چنانچه از اطلاعات بدست آمده استفاده نكنيم ؛ اطلاعات ازبين مي رود، در حاليكه در سيستم DCS ، قابليت ذخيره سازي اطلاعات وجود دارد. مشكل عمده در سيستم هاي DCS ، Vendor dependent بودن اين سيستم است يعني اگر كنترلري را از يك شركت خريداري كنيم ؛ قطعات يدكي را هم بايد از همان شركت بخريم .