2.1. عصر نیوماتیک (۱۹۲۰ – ۱۹۶۰): قدرت هوای فشرده
پیش از آنکه الکترونیک بر صنعت مسلط شود، سامانههای کنترل نیوماتیک[i] به مدت چند دهه، ستون فقرات اتوماسیون کارخانهها و واحدهای فرآیندی به حساب میآمدند. این سامانهها که از هوای فشرده (معمولاً در بازهی ۳ تا ۱۵ پوند بر اینچ مربع[ii]، معادل ۰.۲ تا ۱ بار[iii]) به عنوان سیگنال انتقال قدرت استفاده میکردند، به دلیل ایمنی بالا و عدم تولید جرقه، گزینهای ایدهآل برای محیطهای مستعد خطر[iv] مانند پالایشگاهها، پتروشیمیها و معادن ذغال سنگ محسوب میشدند.
کنترلکنندههای نیوماتیک با استفاده از فنرها، غشاها (دیافراگمهای لاستیکی)[v] ، رلههای نیوماتیک[vi] و زنگولههای فشاری[vii]، عملیات ریاضی پیچیدهای نظیر تناسبی (P)، انتگرالگیری (I) و مشتقگیری (D) را به صورت کاملاً مکانیکی انجام میدادند.
کنترلکنندههای نیوماتیک با استفاده از فنرها، غشاها (دیافراگمهای لاستیکی)[v] ، رلههای نیوماتیک[vi] و زنگولههای فشاری[vii]، عملیات ریاضی پیچیدهای نظیر تناسبی (P)، انتگرالگیری (I) و مشتقگیری (D) را به صورت کاملاً مکانیکی انجام میدادند.
برای پیادهسازی جمله انتگرال، از یک محفظهی با حجم بزرگ و یک روزنهی کوچک (نیاز به یک اثر ذخیرهسازی) استفاده میشد: اختلاف فشار، جریان هوا را از روزنه عبور میداد و فشار در محفظهی انتگرال، جمع (انتگرال) اختلاف فشار ورودی را نشان میداد. حتی رایانههای نیوماتیک نیز وجود داشتند که میتوانستند چندین عملیات ریاضی (جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، ریشه دوم) را همزمان و بدون نیاز به برق انجام دهند.
با این حال، این سامانهها معایب جدی داشتند:
- اشغال فضای زیاد (یک کنترلکنندهی PID ممکن بود ۵۰×۵۰×۳۰ سانتیمتر حجم اشغال کند)؛
- نیاز به زیرساخت پیچیدهی تأسیسات هوای فشرده (کمپرسور، خشککن، فیلتر، مخزن ذخیره)؛
- سرعت پاسخدهی کُند (به دلیل تراکمپذیری هوا و تأخیر در لولههای طویل)؛
- دقت محدود (حدود ۱-2% خطا) در مقایسه با سامانههای دیجیتال (خطای 1% یا بهتر)؛
- هزینهی بالای قطعات یدکی (قطعات مکانیکی دقیق) و عدم قابلیت اتصال آسان به سامانههای مدیریتی.
وجود این مشکلات به تدریج جای آنها را به فناوریهای جدیدتر داد.
نکتهی کاربردی: کنترلکنندههای نیوماتیک امروزه به ندرت به عنوان کنترلکنندهی اصلی به کار میروند، اما محرک (عمدتاً شیرهای کنترلی و دمپرها) همچنان اغلب نیوماتیک هستند (سیلندرهای بادی با فنر برگشتی). دلیل این امر ایمنی ذاتی (بدون جرقه)، نیروی بالا نسبت به وزن، و سادگی اجرای مدار ایمن[viii]. بنابراین و در صورت استفاده از سامانههای نیوماتیک، یک مهندس کنترل صنعتی باید همچنان با اصول کنترل نیوماتیک (محاسبهی حجم هوای مصرفی، زمان پر شدن مخازن، انتخاب سایز لوله) آشنا باشد.
2.2. عصر الکترونیک و ظهور نسلهای جدید (۱۹۶۰ – ۱۹۸۰): کنترلکنندههای تکحلقهای
با پیشرفت علم الکترونیک و استفاده از لامپهای خلأ در ساخت رایانهها (۱۹۳۹) و سپس اختراع ترانزیستورها (۱۹۴۷، آزمایشگاه بل) و مدارهای مجتمع[ix] (۱۹۶۰)[x] ، نسل جدیدی از کنترلکنندهها متولد شدند.
با پیشرفت علم الکترونیک و استفاده از لامپهای خلأ در ساخت رایانهها (۱۹۳۹) و سپس اختراع ترانزیستورها (۱۹۴۷، آزمایشگاه بل) و مدارهای مجتمع[ix] (۱۹۶۰)[x] ، نسل جدیدی از کنترلکنندهها متولد شدند.
کنترلکنندههای الکترونیکی آنالوگ با استفاده از ولتاژ (مثلاً ۰-5 ولت) یا جریان الکتریکی (سیگنال استاندارد ۴ تا ۲۰ میلیآمپر) جایگزین سیگنالهای هوای فشرده شدند. مزیت حلقهی جریان ۴ تا ۲۰ میلیآمپر نسبت به ولتاژ، مصونیت در برابر افت ولتاژ در طول سیم (چون جریان در سراسر حلقه یکسان است) و امکان تغذیهی حسگر از طریق همان دو سیم (دو سیمه) بود.
این دستگاهها که به «کنترلکنندههای تکحلقهای» معروف بودند، کوچکتر، سریعتر (زمان پاسخ میلیثانیه در مقابل ثانیه) و دقیقتر (خطای 0.1%) از همتایان نیوماتیک خود بودند. تنظیم پارامترهای PID (بهرهی تناسبی ، زمان انتگرال ، زمان مشتق ) در آنها از طریق پتانسیومترها (مقاومت متغیر) انجام میشد. با ورود مدارهای مجتمع (IC) و میکروکنترلرها (دههی ۱۹۷۰)، این کنترلکنندهها هوشمندتر شدند و قابلیتهای برنامهپذیری (انتخاب بین P، PI، PID با یک کلید)، نمایشگرهای دیجیتال (LED یا LCD)، و ارتباط سریال ناهمزمان[xi] (مثل RS-232) به آنها اضافه گردید. با این حال، معماری این سامانهها همچنان متمرکز بود؛ به این معنا که برای هر حلقهی کنترل (مثلاً کنترل دما، فشار، سطح، جریان یا متغیرهای شیمیایی) یک دستگاه سختافزاری جداگانه روی تابلو نصب میشد و مدیریت صدها حلقهی کنترل در یک کارخانهی بزرگ (مثلاً پالایشگاه با ۲۰۰۰ حلقه) کاری دشوار و پرهزینه بود (سیمکشی نقطه به نقطه، فضای زیاد تابلوها، نگهداری دشوار، هزینهی بیشتر).
2.3. انقلاب دیجیتال: کنترل مستقیم دیجیتال
با ورود رایانههای همهمنظوره (رایانههای کوچک DEC PDP-8, PDP-11) به صنعت در دهههای ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، مفهوم کنترل مستقیم دیجیتال[xii] (DDC) مطرح شد.
با ورود رایانههای همهمنظوره (رایانههای کوچک DEC PDP-8, PDP-11) به صنعت در دهههای ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، مفهوم کنترل مستقیم دیجیتال[xii] (DDC) مطرح شد.
در سامانههای DDC، یک رایانهی مرکزی قدرتمند (گاهی با حافظهی چند صد یا چند هزار مگا بایت و سرعت کلاک چند مگاهرتز) تمامی وظایف کنترلی واحد فرآیندی را بر عهده میگرفت. همچنین توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال[xiii] (ADC)، سیگنالهای آنالوگ دریافت شده از حسگرها به سیگنال دیجیتال تبدیل میشدند و پس از پردازش در رایانه و اجرای الگوریتمهای پیچیدهی کنترلی به صورت زمان واقعی (بیدرنگ[xiv])، در نهایت دستورات خروجی سامانهی کنترل (به صورت دیجیتال) به مبدل دیجیتال به آنالوگ[xv] (DAC) و سپس به عملگرها ارسال میگرید. اگرچه DDC انعطافپذیری بالایی در تغییر استراتژیهای کنترل داشت (بدون نیاز به تعویض سختافزار)، اما با دو مشکل اساسی روبرو است:
- احتمال تمرکز خرابیها[xvi]:اگر رایانه مرکزی دچار خرابی (مثل خاموشی، خطای نرمافزاری، قطع شدن فن خنککننده) میشد، کل فرآیند تولید نیز فلج میشد. این ریسک برای صنایع فرآیندی (از جمله نفت، گاز، پتروشیمی) که از سرویس خارج شدن واحد فرآیندی، میلیونها دلار خسارت و عدمالنفع دارد، غیرقابل پذیرش است.
- هزینهی سیمکشی: سامانههای DDC نیاز به کشیدن هزاران متر انواع سیم و کابل (اغلب زوج به هم تابیده و شیلددار) از هر حسگر و هر عملگر در سایت (میدان) تا اتاق کنترل مرکزی دارد. برای یک پالایشگاه متوسط، حجم سیمکشی میتواند از هزار تا چند هزار کیلومتر فراتر رود، بدیهی است در این صورت، هزینهی نصب را به شدت افزایش داده، ضمن اینکه پیدا کردن خطا در آن را به یک کابوس تبدیل میکند.
2.4. سامانههای کنترل توزیعشده (DCS)، ۱۹۷۵ به بعد
برای حل مشکلات DDC، در سال ۱۹۷۵ شرکت هانیول[xvii] اولین سامانهی کنترل توزیعشده (DCS) خود[xviii] را معرفی کرد. فلسفهی اصلی DCS، «توزیع هوش[xix]» بود.
برای حل مشکلات DDC، در سال ۱۹۷۵ شرکت هانیول[xvii] اولین سامانهی کنترل توزیعشده (DCS) خود[xviii] را معرفی کرد. فلسفهی اصلی DCS، «توزیع هوش[xix]» بود.
در این سامانهها به جای تکیه بر یک رایانهی مرکزی، از چندین کنترلکنندهی محلی (اغلب پردازندههای ۱۶ یا ۳۲ بیتی اختصاصی) استفاده میشود که هر کدام مسئولیت کنترل بخشی از فرآیند (مثلاً یک واحد تقطیر، یک راکتور شیمیایی) را بر عهده دارند. این کنترلکنندهها از طریق یک شبکهی ارتباطی سریع[xx] با یکدیگر و با ایستگاههای عملیاتی (ایستگاه کنترل بهرهبردار) در اتاق کنترل و اغلب با صفحههای نمایشگر گرافیکی رنگی و صفحهکلیدهای تخصصی، در ارتباط هستند.
مزیت بزرگ DCS: در صورت خرابی یکی از کنترلکنندهها، تنها بخش کوچکی از فرآیند (مثلاً یک واحد) که توسط یکی از کارتهای کنترلی تحت هدایت است، متوقف میشود و بقیه سامانه به کار خود ادامه میدهد. افزونگی[xxi] نیز در این سامانهها قابل پیادهسازی است: برای نقاط کنترلی حیاتی[xxii]، یک کنترلکنندهی پشتیبان[xxiii] به صورت گرم[xxiv] قرار میگیرد که در کمتر از یک ثانیه نقش کنترلکنندهی اصلی را بر عهده میگیرد.
همچنین، DCS امکانات پایش گرافیکی[xxv] به صورت پویا[xxvi] با رنگهای متغیر (ثبت دادهها) تاریخچه مقادیر فرآیند با بازهی زمانی مشخص (مثلاً یک ثانیه)، قابل ذخیره برای سالها (و مدیریت یکپارچه فرآیند) امکان پایش کل کارخانه روی چند صفحه نمایش، تنظیم[xxvii] از اتاق کنترل، تشخیص خودکار عیوب[xxviii] را برای بهرهبردار فراهم کرد. سامانههای DCS به سرعت در صنایع بزرگ نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاهها، نیروگاهها و صنایع فولاد استاندارد شدند و امروزه نیز نسلهای جدیدتر سازندگان بزرگ دنیا[xxix]، به طور گسترده استفاده میشوند.
2.5. سامانههای کنترل مبتنی بر فیلدباس (FCS): انتقال هوشمندی به فیلد (دههی ۱۹۹۰ به بعد)
در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم، فناوری دیگری ظهور کرد که قصد داشت محدودیتهای باقیمانده در DCS (از جمله هزینهی سیمکشی و عدم دسترسی به دادههای تشخیصی ابزاردقیق) را از بین ببرد: «سامانههای کنترل مبتنی بر فیلدباس» یا FCS.
در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم، فناوری دیگری ظهور کرد که قصد داشت محدودیتهای باقیمانده در DCS (از جمله هزینهی سیمکشی و عدم دسترسی به دادههای تشخیصی ابزاردقیق) را از بین ببرد: «سامانههای کنترل مبتنی بر فیلدباس» یا FCS.
در سامانههای DCS سنتی، حسگرها و شیرهای کنترلی فقط یک سیگنال آنالوگ (4 تا 20 میلیآمپر) را ارسال میکردند و «مغز متفکر» کنترل کنندهی PID، در کنترلکنندههای مستقر در اتاق کنترل یا تابلوهای کنترل محلی قرار داشت. اما در سامانههای FCS، پروتکلهای ارتباطی دیجیتال[xxx] جایگزین سیمکشیهای نقطه به نقطه سنتی میشوند. این امر باعث میشود که هوشمندی (توانایی انجام محاسبات، تشخیص عیب، ذخیره داده) به «فیلد[xxxi]» یا همان محل نصب ادوات (نزدیک به فرآیند) منتقل شود.
در یک سامانهی کنترل مبتنی بر فیلدباس، ترانسمیترهای هوشمند[xxxii] و محرکها و یا موقعیتدهندههای هوشمند[xxxiii] مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و حتی میتوانند عملیات کنترلی ساده مانند یک کنترل کنندهی PID با پارامترهای از پیش ذخیره شده را روی خود انجام دهند (امکان کنترل در حلقهی بستهی محلی، حتی در صورت قطع ارتباط با اتاق کنترل). این معماری «از نظر تئوری) مزایای بیشماری دارد:
- کاهش چشمگیر سیمکشی: استفاده از یک کابل شیلددار[xxxiv] به جای دهها سیم برای هر دستگاه. در فیلدباس، صدها دستگاه میتوانند روی یک جفت سیم[xxxv] قرار گیرند.
- دسترسی به اطلاعات تشخیصی[xxxvi]: امکان دریافت اطلاعات دقیق دربارهی سلامت دستگاه (مثل دمای داخلی حسگر، زمان سپری شده از آخرین واسنجی[xxxvii]، تعداد دفعات باز و بسته شدن شیر، فرسودگی قطعات) برای تعمیرات پیشگیرانه[xxxviii] (PM ). این اطلاعات در سامانهی DCS سنتی به هیچ وجه قابل دسترسی نبود.
- کنترل در حلقهی بستهی محلی: حتی در صورت قطع ارتباط کامل با اتاق کنترل (مثلاً به دلیل سوختن فیبر نوری ارتباط اتاق کنترل با میدان)، دستگاههای میدانی هوشمند میتوانند با قابلیت هماهنگی یکدیگر[xxxix] (و با استفاده از شبکهی سطح میدان) فرآیند را در یک حالت امن[xl] یا کنترل پایدار ادامه دهند.
- کاهش هزینه نصب و نگهداری: کابل کمتر، ترمینال کمتر، خطای انسانی کمتر در سیمکشی، هزینهی نگهداری کمتر.
نکته: با وجود قابلیتها و مزایای ذکر شده، طراحی مهندسی سامانههای کنترل مبتنی بر فیلدباس از طراحی مهندسی سامانههای کنترل توزیعی سختتر و هزینهبرتر است.
پروتکلهای متعددی برای فیلدباس وجود دارد. در جدول 1.1، سه نمونهی برجسته و معمول این فناوری را با هم مقایسه میکنیم:
جدول 1. مقایسهی برخی قابلیتهای سه پروتکل معروف
ویژگی | FF: Foundation Fieldbus | Profibus PA | HART (Smart) |
نوع سیگنال | دیجیتال/ تمامدیجیتال | دیجیتال/ تمامدیجیتال | هایبرید (4 تا 20 میلی آمپر + FSK دیجیتال) |
سرعت (Kbit/Sec) | 31.25 | 31.25 | 1.2 (برای لایهی دیجیتال) |
حداکثر طول Bus (متر) | 1900 (با تکرار کننده) | 1900 | 3000 (حلقه جریان) |
توانرسانی Bus به دستگاه | دارد (دوسیمه) | دارد | دارد (دوسیمه) |
قابلیت کنترل در حلقهی بستهی محلی | دارد (قوی) | دارد (محدود) | محدود (تنظیم SP) |
موارد کاربرد معمول | صنایع فرآیندی (نفت و گاز) | صنایع تولیدی و فرآیندی | عمدتاً صنایع قدیمی و ارتقاء DCS |
هر کدام از این پروتکلها بر اساس نیاز فرآیند (سرعت، فاصله، توان، امنیت) و استانداردهای ایمنی فرآیند (مانند SIL) انتخاب به کارگرفته میشوند. از طرفی FF به دلیل قابلیت کنترل محلی قویتر، در صنایع فرآیندی حساس محبوبیت بیشتری دارد، در حالی که پروفیباس به دلیل همخوانی با استانداردهای[xli] اروپایی، در اروپا رایجتر است.
در شکل 4 مقایسهی ساختار سیمکشی و محل استقرار سامانههای هوشمند در سه سامانهی زیر به تفکیک و به وضوح نسبت به تفاوت در حجم کابلها و اتصالات به وضوح قابل مشاهده است:
الف) سامانهی DDC با کنترلکنندهی متمرکز و سیمکشی سنتی (نقطه به نقطه)؛
ب) سامانهی DCS با کنترلکنندههای توزیع شده و سیمکشی سنتی (نقطه به نقطه)؛
ج) سامانهی FCS مبتنی بر فیلدباس (باس دو سیمه با ترمیناتور).
پروتکل HART، پلی بین آنالوگ و دیجیتال
نسل دستگاههای اندازهگیری هوشمند که پیش از بلوغ کامل فیلدباسهای تمام دیجیتال ظهور کرده بود، تحت پروتکل [xlii]HART شناخته میشود. این پروتکل یک پروتکل ارتباطی هیبریدی است که اطلاعات دیجیتال را بر روی سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلیآمپر سوار میکند. این امر با استفاده از روش مدولاسیون FSK[xliii] انجام میشود: فرکانس ۱۲۰۰ هرتز نشاندهندهی بیت «1» و فرکانس ۲۲۰۰ هرتز نشاندهنده بیت «0» است. از آنجا که میانگین سیگنال فرکانس سینوسی صفر است، سیگنال دیجیتال تداخلی با سیگنال آنالوگ (که وسیلهی اصلی انتقال مقدار فرآیندی مانند فشار یا دما است) ایجاد نمیکند. در نتیجه، دستگاه مبتنی بر HART میتواند به طور همزمان مقدار فرآیند را به صورت آنالوگ (برای سامانه کنترل قدیمی) و اطلاعات تشخیصی (مثل دمای حسگر، هشدارها، ویژگیهای واسنجی دستگاه، تنظیمات گسترهی اندازهگیری) را به صورت دیجیتال ارسال کند. استاندارد فیزیکی و لایهی پیوند دادهی مورد استفاده در HART، استاندارد مخابراتی Bell 202 است.
پروتکل HART بر خلاف FF، یک پروتکل «شبه صنعتی» یا «پل» محسوب میشود. امروزه بسیاری از کاربران آن را به عنوان یک راهحل انتقالی میشناسند، اما به دلیل نصب گسترده (بیش از ۴۰ میلیون دستگاه در جهان یا بیشتر)، همچنان در بسیاری از کارخانهها زنده و فعال است. مزیت بزرگ HART برای صنعت، امکان ارتقاء تدریجی از DCS آنالوگ به DCS دیجیتال بدون تغییر در سیمکشی اصلی است. با این وجود، FCS تمام دیجیتال (مانند FF و پروفیباس) قابلیتهای پیشرفتهتری در مقابل کنترل توزیعشدهی واقعی و ارتباط همتا به همتا را فراهم میکنند.
شکل 5 چگونگی انتقال همزمان سیگنال آنالوگ (4-20 میلیآمپر حامل مقدار اصلی فرآیند) و سیگنال دیجیتال (FSK با فرکانس 1200/2200 هرتز) در پروتکل دو سیمهی HART را نمایش میدهد. دقت شود که سیگنال دیجیتال روی سیگنال آنالوگ سوار شده و دامنهی آن در مقایسه با تغییرات آهستهی فرآیند ناچیز است. قابلیت این پروتکل این است که دو سیم اصلی (۴-۲۰ میلیآمپر) از کنترل کننده عبور کرده و یک مقاومت (معمولاً ۲۵۰ اهم) برای تبدیل جریان به ولتاژ نوساندار در مسیر آن قرار میگیرد. مودم یا دستگاه پیکربندی[xliv] HART میتواند به دو سر این مقاومت وصل شده و سیگنال FSK را از آن جدا و تحلیل کند.
کنترل صنعتی و اتوماسیون چون مبتنی بر ریزپردازنده است، صنعتی است که هرگز متوقف نمیشود. همانطور که گذار از نیوماتیک به الکترونیک، دیجیتال و سپس به فیلدباس تحولی انقلابی بود، امروزه نیز ما در آستانهی موج جدیدی از تغییرات هستیم. حاصل فعالیتهای پژوهشی سازندگان و مطابق با آنچه از پیشرفت فناوریها انتظار میرود، به زودی میتوانیم شاهد دگرگونی جدی در معماری و فلسفهی سامانههای کنترل باشیم.
در قسمت بعدی این مقاله به آیندهی این صنعت، که ترکیبی از اتصالپذیری بیسیم، هوش مصنوعی، دیجیتال دوقلو و امنیت سایبری است خواهیم پرداخت.
[i] Pneumatic Control System
[ii] 3~15 PSI
[iii] 0.2~1 Bar
[iv] Hazardous Area
[v] Diaphragm
[vi] Pneumatic Relay
[vii] Bellows
[viii] Fail-Safe
[ix] IC: Integrated Circuit
[x] Jack Kilby & Robert Noyce
[xi] Asynchronous Serial Communication
[xii] Direct Digital Control System
[xiii] Analogue to Digital Converter
[xiv] Real-Time
[xv] Digital to Analogue Converter
[xvi] Single Point of Failure
[xvii] Honeywell
[xviii] TDC 2000 (Total Distributed Control 2000)
[xix] Distributed Intelligence
[xx] Data Highway
[xxi] Redundancy
[xxii] Critical Control Points
[xxiii] Backup
[xxiv] Hot Standby
[xxv] Mimic Diagrams
[xxvi] Dynamic
[xxvii] Setpoint
[xxviii] Self- Diagnostic
[xxix] Honeywell Experion، Yokogawa Centum، Siemens PCS 7, etc.
[xxx] Foundation Fieldbus or PROFIBUS PA
[xxxi] Field
[xxxii] Smart Transmitters
[xxxiii] Smart Positioners
[xxxiv] Bus
[xxxv] Bus Segment
[xxxvi] Diagnostics
[xxxvii] Calibration
[xxxviii] Predictive Maintenance
[xxxix] Peer-to-Peer Communication
[xl] Safe Mode
[xli] PROFINET/Profibus
[xlii] HART: Highway Addressable Remote Transducer
[xliii] FSK: Frequency Shift Keying
[xliv] HART Communicator
