مقدمه ای بر سیستمهای کنترل در نیروگاهها

مقدمه ای بر سیستمهای کنترل در نیروگاهها

کنترل و اتوماسیون یکی از مهمترین مباحث نیروگاهها می‌باشد. بطور کلی سه عضو اصلی هر سیستم کنترلی، واحد اندازه‌گیری و واحد تغییردهنده کمیت(Actuator)  و کنترلر می‌باشند. دو عضو اول در فیلد (جایی که سیستم اصلی وجود دارد) و عضو سوم معمولا" در اتاق کنترل می‌باشد.

مساله مهم در روند کنترل به شکل فوق، موضوع سیگنالها می‌باشد؛ سیگنالهایی که بین دستگاه کنترل‌کننده و دستگاههای نصب شده در فیلد، رد و بدل می‌شوند. به منظور سهولت استفاده از کنترل‌کننده‌ها در صنایع مختلف، لزوم وجود یک استاندارد برای تعریف ماهیت سیگنالهای مزبور، از مدتها قبل حس شده بود. ابتدا در سالهای دهه 50 ، بصورت استاندارد ، از سیگنالهای بادی با فشار بین 3-15 psi برای این منظور استفاده می‌شد.

 با گسترش الکترونیک و با توجه به مشکلات روش قبلی، در دهه هفتاد میلادی، استفاده از سیگنالهای جریانی 4 تا 20 میلی‌آمپر برای کار سیگنالینگ ، معرفی گردیدند. گرچه در این سالها از سطوح ولتاژ و جریانهای دیگری نیز، خارج از استاندارد فوق استفاده می شد، اما رفته رفته، با توجه به مزایای این روش، سایر روشها کنار گذاشته شد. یکی از مهمترین مزایای کاربرد حلقه جریانی 20- 4 میلی‌آمپر، مصونیت بالای آن نسبت به نویز بود .

در دهه 90 سنسورهای هوشمند (smart) پدید آمدند که علاوه بر عملکرد یک ترانسمیتر و یک ترانسدیوسر، با بهره‌گیری از تکنولوژی میکروپروسسور، در خود عملیات دیگری همچون کالیبراسیون، عیب‌یابی، تبدیل واحد اندازه‌گیری و نیز بعضی از عملیات کنترلی را می‌توانستند انجام دهند.

با توسعه شبکه‌های کامپیوتری و مفاهیم آن، ایده استفاده از این تکنولوژی در پروسه کنترل صنعتی بوجود آمد و فیلدباس (Field bus) به این صورت، شکل گرفت.

فیلدباس یک پروتکل ارتباطی بین سنسورهای هوشمند است که توسط آن، سنسورها و سایر اجزای کنترلی در فیلد، یک شبکه محلی LAN را تشکیل داده‌اند. مشخصات اصلی فیلدباس بصورت زیر بیان می‌شود:

-          جایگزین دیجیتالی روش سنتی انتقال اطلاعات حلقه جریانی 4 تا 20 میلی‌آمپر است.

-          کنترل، آلارم ، منحنیهای عملکردی (Trend) و سایر عملیات، توسط فیلدباس، بین اجزای کنترلی ، توزیع می‌شود.

-          دستگاههای ساخته شده توسط هر کمپانی، با رعایت استاندارد فیلدباس، قابلیت کار با هم و در کنار هم را داشته باشند.

-          Open system است، به این معنی که بدون هیچگونه لیسانسی، کلیه اطلاعات و جزییات آن برا همگان در دسترس است.

دستگاهها و سنسورهای مورد استفاده در فیلدباس از نوع smart هستند. اما کلیه سنسورهای smart موجود ، قابل استفاده در فیلدباس نیستند. فیلدباس یک سیستم کامل است که عملیات کنترل را بین دستگاههای نصب شده در فیلد، توزیع می‌کند و همزمان امکان تنظیمات و تغییرات و نظارت را در اتاق کنترل، توسط خطوط ارتباطی شبکه‌ای، فراهم می‌سازد. فیلدباس بعبارت کوتاهتر، جایگزین روش سنتی 4 تا 20 میلی‌آمپر و کنترل DCS که در آن پروسه کنترل، به عهده یک یا چند کنترلر بصورت متمرکز قرار دارد، شده است.

در شکل زیر به صورت گرافیکی تفاوت بین مفهوم DCS و Fieldbus  را می‌توان مشاهده نمود. شکل سمت راست مربوط به فیلدباس و شکل سمت چپ ، مفهوم DCS را نشان می دهد .

فیلدباس یک پروتکل ارتباطی است که باید استاندارد گردد تا بصورت جهانی، مورد قبول و استفاده در آید. فیلدباس همانگونه که گفته شد یک سیستم ارتباطی دیجیتالی دو طرفه را جایگزین روش سنتی 4 تا 20 میلی‌آمپر می‌کند. مزایای استفاده از این سیستم ارتباطی جدید را می‌توان بصورت زیر درنظر گرفت:

-          دقت و اقابلیت اطمینان بیشتر اطلاعات رد و بدل شده

-          امکان دسترسی متنوع‌تر به یک سنسور

-          امکان عیب‌یابی و پیکربندی از راه دور

-          کاهش حجم سیم‌کشی

-          امکان استفاده از سیم‌کشی فعلی

قابلیت اطمینان و دقت این سیستم از آنجا ناشی می‌شود که سنسورها مجهز به میکروپروسسور هستند و مثلا" در یک حلقه کنترلی، میکروپروسسورهای موجود در سنسور و شیرهای کنترلی، مستقیما" با یکدیگر اطلاعات را بصورت دیجیتالی رد و بدل می‌کنند و نه به کمک مبدلهای A/D و D/A که خود منجر به بروز خطا می‌شود. مزیت انتقال دیجیتالی در آن است که نویزهای موجود، به هیچ وجه نمی‌توانند کمیت منتقله را دچار تغییر نمایند.

امکان دسترسی متنوع به یک سنسور هم به این معنی است که مثلا" سنسور فشار که وظیفه اصلی آن اندازه‌گیری فشار است، همزمان می‌تواند دمای پروسه را هم اندازه‌گیری کرده و انتقال دهد.

تنظیمات و پیکربندی(Configuration)  دستگاهها و همچنین کالیبره کردن آنها براحتی و از اتاق کنترل میسر است.

کاهش حجم سیم‌کشی نیز با توجه به آنکه، همگی یا گروهی از سنسورها بر روی فقط یک کابل دو رشته نصب شده‌اند و نیازی به سیم‌کشی مجزا برای هر سنسور تا اتاق کنترل نیست، مشهود می‌باشد.

بسیاری از پروتکلهای فعلی سنسورهای هوشمند (smart)  غیر فیلدباس، مختص فقط کمپانی سازنده خود است. استفاده از این محصولات، باعث وابسته شدن مصرف‌کننده به یک شرکت خاص است و اگر در طرح توسعه، نیاز به سنسوری خاص باشد که آن شرکت نداشته باشد، مصرف‌کننده مجبور است به 4 تا 20 میلی آمپر برگردد. اما یک سیستم باز (Open system)  ، چیزی دقیقا" مخالف مورد بالاست.

در یک سیستم باز، آخرین استانداردها براحتی در دسترس همگان است و شرکتهای متعدد می‌توانند سنسورها و تجهیزات خود را مطابق آن ساخته و به دست مصرف‌کننده برسانند. مطابق این استاندارد و وجود استاندار 4 تا 20 میلی‌آمپر باعث شده است که سنسورها و تجهیزات مطابق این استاندارد، بتوانند بدون هیچگونه مشکلی کار کنند. این موضوع را انطباق و یا توانایی کار با هم گویند (Interoperability) . فیلدباس این موضوع را نیز پشتیبانی می‌کند.

سیستمهای فیلدباس برای ایجاد ارتباط بهتر بین وسایل سطح field و واحد کنترل، درصنعت بوجود آمدند. نگاهی به روش قدیمی‌تر انتقال اطلاعات، ما را با ضرورت استفاده از باس آشنا می سازد. پس از کنترلرهای پنیوماتیکی و همزمان با استفاده از کنترلرهای الکتریکی، مقدار استاندارد جریان 4 تا 20 میلی آمپر برای انتقال اطلاعات آنالوگ بصورت استاندارد پذیرفته شد. در این کنترل کننده ها برای هر کدام از وسایل سطح فیلد، باید یک جفت سیم از اتاق کنترل کشیده می شد و ارتباط از طریق این سیمها فقط در یک جهت انجام می شد.

با پیشرفت تکنولوژی از شبکه های باس برای انتقال اطلاعات کنترل کننده های دیجیتالی جدید و ابزار دقیق هوشمند استفاده می شد. به این ترتیب نیاز به استفاده از مبدلهای D/A,A/D از بین می رفت. در ضمن از آنجایی که سیگنال دیجیتال بطوردائم بر روی خط نیست، امکان اتصال چند وسیله به این خط انتقال دوطرفه ممکن می شد. به این ترتیب انتقال اطلاعات از طریق باس، با کاهش سیم کشی و وسایل جانبی همراه شده و جایگزین روش قدیمی تر 4-20 می شد.

 باس هایی که در سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده می شوند ویژگیهای دیگری را نیز باید به همراه داشته باشند :

-   داشتن یک پروتکل open برای اینکه کاربر بتواند از روی ابزار دقیق ساخته شده توسط سازندگان مختلف، در شبکه خود استفاده کند. (به این صورت interoperability و  interchangeability وجود خواهد داشت)

-   امکان استفاده در محیط های خطرناک لازم می دارد که محیط انتقال اطلاعات هم در برابر انفجار، ایمن باشند. مثلاً برای سیستمهای فیلدباس، مدل FISCO یک راه برای بیان شرایط ایمن انتقال اطلاعات است. در شبکه field  ذاتآ ایمن ، جریان و ولتاژ به وسیله Safety barrier P.S ها محدود می‌شود.

-   در پروسه های پیچیده (وبخصوص) خطرناک امکان قطع شبکه و تعویض device های شبکه بدون shut down کردن پروسه وجود ندارد. برای همین هم باید امکان plug & play بودن برای این وسایل وجود داشته باشد.

-   شبکه دو سیمه: برای کاهش هزینه ها ، کوتاه کردن سیم کشی و کم کردن تعداد safety barrier ها، بجای شبکه 4 سیم از شبکه 2 سیم استفاده می شود و توان لازم هم از طریق خط سیگنال منتقل می شود.

-   Baud rate انتقال داده باید به اندازه ای باشد که تضمین کند سیکل زمانی شبکه، از کمترین زمان لازم برای تغییرات اطلاعات کمتر باشد.

-  امکان استفاده از توپولوژیهای مختلف برای باس مثلاً line , tree و… امکان‌پذیر باشد.

-   علاوه بر موارد بالا، شبکه ها باید قابل انعطاف بوده و از نظر اقتصادی نیز به صرفه باشند. به این منظور تعداد ابزار دقیق هوشمند استفاده شده، باید حداقل شود. شبکه انتقال اطلاعات باید سطوح مختلفی داشته باشد و امکان انتقال اطلاعات برای عملیات سریع و بلادرنگ نیز باید وجود داشته باشد.

هزینه سیستمهای فیلدباس با توجه به کاهش هزینه های کابل کشی، برنامه نویسی و نصب تا حدود 40 درصد کمتر از سیستمهای قدیمی تر 4 تا 20 میلی آمپر است. قابلیت انعطاف این سیستمها بالا و خطا در آنها کمتر است. کامپیوتر هاو PLC ها به راحتی می توانند در این شبکه ها قرار بگیرند و سیستمهای نظارتی بسیار پیشرفته در آنها استفاده می شود. همچنین به علت خاصیت interoperability تضمین شده در سیستمهای فیلدباس، انتخاب Device ها کاملآ آزاد و مستقل از یک سازندة خاص است.

در سیستمهای فیلدباس، کنترل به صورت توزیع شده واقعی انجام می پذیرد. به این معنی که عملیات کنترلی به صورت توابعی تعریف شده، بین Device های تشکیل دهندة یک حلقه کنترلی تقسیم می شوند  و از کنترل متمرکز موجود در سیستمهای  DCS تا حدودی بی نیاز می‌گردیم. یعنی که Device ها (ترانسیمترها و عملگرها) در فیلدباس هموشمند هستند. بنابراین می‌توان دریک شبکه فیلدباس،آنها را جزئی از شبکه دانست. در واقع دامنه دید در کنترل با فیلد باس، تا لایه فیلد، وسیع می گردد.

به عنوان آخرین و شاید مهمترین ویژگی سیستمهای فیلدباس ، متذکر می شویم که دسترسی به اطلاعات ،چه از نوع مهندسی و چه از نوع مدیریتی در این شبکه ها بسیار آسان است.با توجه به هوشمند بودن وسایل و توانایی آنها در تهیه و ارسال اطلاعات کاملی از شرایط و نحوه کارکردخود ، همه گونه اطلاعات مهندسی برای مرتفع کردن مسایل نگهداری ، تعمیرات ، ایمنی ،شرایط خاص و ... در دسترس است. همچنین اطلاعات مدیریتی ، از قبیل مدیریت نگهداری ، کیفیت ، بازرگانی و ... با توجه به قابلیت موجود در سیستمهای فیلد باس به طور قابل توجهی افزایش یافته اســت .

امروزه بیش از 100 نوع سیستم فیلدباس مختلف ارائه شده است که تعداد کمی از آنها همه نیازهای موجود در صنعت را به عنوان یک سیستم Field Network برآورده می سازند.از میان آنها دو سیستم فیلدباس مهم با یکدیگر رقابت می کنند؛ PROFIBUS که در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus که در آسیا و آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد .

اهمیت ارایه یک استاندارد جهانی برای فیلدباس، سازمانهایی مانند

-          ISA (Instrument Society of America)

-          IEC (International Electromecanical Commission

-          Profibus (German National Standard)

-          FIP (French national standard)

را بر آن داشت تا کمیته فیلد باس SP50 (IEC/ISA) را تشکیل دهند.

در سال 1992 ، دو گروه که شامل شرکتهای بزرگ جهانی بودند، هر کدام فیلدباس مربوط به خود را به بازار ارایه دادند. ضمن آنکه اعلام کردند که به مجرد فرموله شدن استاندارد کمیته SP50 ، محصولات خود را مطابق آن تغییر خواهند داد. اسامی این دو گروه در زیر آورده شده است :

-          Interoperable System Project(ISP)

-          World Factory Instrumentation Protocol(WorldFIP)

در سال 1994 ، دو گروه فوق نیز با هم متمرکز شده و Foundation Fieldbus را در راستای تسریع پروسه استانداردسازی فیلدباس، تاسیس کردند.

امروزه بیش از 100 نوع سیستم فیلد باس مختلف ارائه شده است که تعداد کمی از آنها، همه نیازهای موجود در صنعت را به عنوان یک سیستم Field Network برآورده می سازند. از میان آنها دو سیستم فیلدباس مهم با یکدیگر رقابت می کنند. Profibus که در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus که در آسیا و آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد.

سایر سیستمهای فیلدباس مطرح عبارتند از:

-          INTERBUS – S

-          DeviceNet

-          ARCNET

-          AS-I

-          Seriplex

-          LonWorks

-          SDS

-          ControlNet

-          CANopen

-          Ethernet

-          Modbus Plus

-          Modbus RTU/ASCII

-          Data Highway Plus(DH+)

سیستم کنترل توزیع یافته (DCS)

با معرفی میکروپروسسورها ، و میکروکامپیوترها به بازار ، کارهایی که در یک پروسه بر عهده یک کامپیوتر بود بین میکروپروسسورها و میکروکامپیوترها تقسیم شد و باعث به وجود آمدن نسلی از روش کنترل به نام DCS شد. DCS مخفف Distributed Controller System است و هدف از آن، انجام عملیات کنترلی به صورت غیرمتمرکز است.

برخلاف ظاهر سیستم DCS ، کلیه کنترلرها به اتاق کنترل آورده شده اند و به نظر می رسد که کنترل به صورت متمرکز انجام می شود. این در حالی است که در سیستم های نیوماتیک کنترلرها اکثرا به صورت محلی وجود دارند که در سایت نصب می‌شوند؛ درحالیکه در DCS ، دیگر کنترلری در محل سایت نداریم. آنچه اساسا در سیستم DCS رخ می دهد ؛ تقسیم عملیات کنترلی بین چندین کنترل کننده است که در اتاق کنترل قرار گرفته اند ؛ به دلیل همین تقسیم است که سیستم Distributed نام گذاری شده است. در این سیستم، حلقه های ساده ای متشکل از Field و کنترلر وجود دارد که این کنترلرها (میکروپروسسورها) در یک لایه بالاتر در سطح supervisor به هم متصل هستند.

برای DCS می توان چهارسطح کاری در نظر گرفت:

1-                 Field: در این سطح ما با سنسورها و عملکردها سرو کار داریم.

2-         Marshal cabinet: ترمینالهایی که wiring را مرتب می کنند در این ترمینالها ایزولاتور ، signal conditioner barriers و… موجود است.

3-                 Process station: شامل کابینت هایی است که داخلشان کارت I/O و کنترلرها قرار دارند.

4-                 Operator station: جایی که اپراتور می نشیند و plant را نظارت می‌نماید.

در این جا I/O Bus به صورت سریال استو کنترلرهای مختلف از طریق data highway به هم متصل می‌شوندو معمولا" از پروتکل  RS485یا  RS232استفاده می کنند. در سیستم DCS معمولا" کنترلرها به صورت Full redundant هستند( CPU و باتریها)، به این صورت که دو تا کنترلر در مدار وجود دارد یکی slave و دیگری master.

 سیستم   slaveدائما" سالم بودن master را چک می کند و چنانچه به هر علتی، درست عمل نکند ، خود  slave جای سیستم Master را می‌گیرد. کارت های I/O هم قابلیت redundancy دارند ولی آنچه در مورد کارتهای I/O باید دقت شود آن است که کارت هایی که redundant یکدیگر هستند در یک rack قرار نگیرند ؛ که اگر احتمالا" back plane (بورد الکترونیکی که PLC و کارتهای I/O بر روی آن نصب می‌گردند) دچار مشکل شد، بتوان از کارت redundant استفاده نماییم . نکته بسیار مهم در مورد DCS قابلیت ذخیره سازی اطلاعات است.

در سیستم های قدیمی چنانچه از اطلاعات بدست آمده استفاده نکنیم ؛ اطلاعات ازبین می رود، در حالیکه در سیستم DCS ، قابلیت ذخیره سازی اطلاعات وجود دارد. مشکل عمده در سیستم های DCS ، Vendor dependent بودن این سیستم است یعنی اگر کنترلری را از یک شرکت خریداری کنیم ؛ قطعات یدکی را هم باید از همان شرکت بخریم