اتوماسیون صنعتی در صنایع مختلف: همگرایی و تطبیق سیستم‌های کنترلی

۲-۲ رگولاتور های خود تنظیم

بررسی تطبیق اصول کنترلی در صنایع مختلف:

1. نفت و گاز

 تمرکز کنترل: تنظیم فشار، دما و جریان در حفاری، پالایش و انتقال. 

 عناصر مشترک: سیستم‌های SCADA برای نظارت میدان‌های نفتی و خطوط لوله، DCS برای کنترل پیوسته فرآیند و ابزار دقیق ایمن (SIS) برای شرایط اضطراری. 

 مثال: استفاده پالایشگاه‌ها از DCS برای کنترل ظروف واکنش و برج‌های تقطیر و بهره‌گیری از لایه‌های SIS بر اساس استاندارد IEC 61508 برای اطمینان از ایمنی عملیات [9].

2. پتروشیمی

 تمرکز کنترل: تقطیر و ترکیب مواد اولیه، کنترل فشار، دما و جریان، مدیریت اتاق‌های تمیز برای تولید محصولات حساس. 

 عناصر مشترک: PLC‌ها و DCS‌ها برای کنترل پیوسته فرآیندها، حسگرهای دقیق برای اندازه‌گیری پارامترهای حیاتی و سیستم‌های SIS برای تضمین ایمنی در شرایط اضطراری. 

 مثال: واحد تقطیر پالایشگاه‌ها که با استفاده از سیستم DCS فرآیندها را کنترل می‌کنند و با استاندارد IEC 61511 برای ایمنی فرآیند سازگار هستند [10].

3. صنعت برق

 تمرکز کنترل: تنظیم ولتاژ و فرکانس، بهینه‌سازی تولید انرژی و مدیریت شبکه‌های هوشمند (Smart Grid). 

 عناصر مشترک: استفاده از سیستم‌های SCADA برای نظارت و کنترل بلادرنگ شبکه‌های توزیع و انتقال برق، DCS برای کنترل پیوسته نیروگاه‌ها و حسگرهای دما و فشار برای نظارت دقیق بر شرایط عملیاتی تجهیزات. 

 مثال: نیروگاه‌های گازی که با استفاده از سیستم DCS فرآیندها را کنترل می‌کنند و با استاندارد IEC 61850 برای ارتباطات در سیستم‌های قدرت سازگار هستند [12].

4. فولادسازی

 تمرکز کنترل: مدیریت دقیق فرآیندهای ذوب، شکل‌دهی و سردکردن فولاد برای رسیدن به معیارهای کیفیت و استحکام. 

 عناصر مشترک: استفاده از سیستم‌های کنترل دما و فشار در کوره‌ها، حسگرهای نوری برای تعیین ضخامت فولاد و سیستم‌های کنترل پیشرفته برای تضمین کیفیت. 

 مثال: کوره‌ها که با استفاده از PLC‌ها و DCS‌ها کنترل دما و ترکیب شیمیایی فولاد را انجام می‌دهند و با استاندارد IEC 61508 در حوزه ایمنی ماشین‌آلات سازگار هستند [11].

5. حمل و نقل ریلی

 تمرکز کنترل: ایمنی، کارایی و دقیق‌بودن در عملیات قطارها، مدیریت حرکت قطارها و پیشگیری از حوادث. 

 عناصر مشترک: سیستم‌های ATO (Automatic Train Operation) برای کنترل خودکار قطارها، CBTC (CommunicationBased Train Control) برای مدیریت حرکت قطارها و SCADA برای نظارت بر شبکه‌های ریلی. 

 مثال: متروهای بدون راننده در شهرهای بزرگ که با استفاده از سیستم CBTC کنترل حرکت قطارها را انجام می‌دهند و با استاندارد CENELEC EN 50126 برای ایمنی ریلی سازگار هستند [17].

6. آب و فاضلاب

 تمرکز کنترل: مدیریت تأمین آب، تصفیه فاضلاب و کنترل فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی. 

 عناصر مشترک: استفاده از سیستم‌های SCADA برای نظارت بر شبکه‌های توزیع آب، PLC‌ها برای کنترل پمپاژ و تصفیه و حسگرهای پارامترهای کیفیت آب (مانند pH و COD). 

 مثال: مراکز تصفیه فاضلاب شهری که با استفاده از سیستم SCADA فرآیندها را مدیریت می‌کنند و با استاندارد ISO 24510 در زمینه خدمات آب و فاضلاب تطابق دارند [14].

7. کارخانجات تولیدی

 تمرکز کنترل: کنترل خطوط تولید، مدیریت ماشین‌آلات و تجهیزات، و بهینه‌سازی عملکرد. 

 عناصر مشترک: استفاده از PLC‌ها برای کنترل ماشین‌آلات و خطوط مونتاژ، و DCS برای مدیریت فرآیندهای پیچیده. 

 مثال: خطوط تولید صنایع خودروسازی که با استفاده از PLC‌ها و استاندارد ANSI/ISA88 کنترل تولید را انجام می‌دهند [3].

جنبه‌های مشترک فراتر از مبحث کنترل در اتوماسیون صنعتی:

1. یکپارچگی داده و زیرساخت‌های ارتباطی:
   اتوماسیون صنعتی در همه صنایع مستلزم جمع‌آوری و تحلیل بلادرنگ داده‌ها است که نیازمند زیرساخت‌های ارتباطی مطمئن (مانند شبکه‌های صنعتی اترنت یا پروتکل‌های Fieldbus) می‌باشد]16[ .
2. استانداردها و پروتکل‌های ایمنی:
   الزامات ایمنی و رعایت استانداردهای مرتبط با ایمنی ماشین‌آلات و فرآیندها (نظیر IEC 61508 و ISO 13849) در تمامی صنایع مشاهده می‌شود [9, 10].
3. مدیریت ریسک و تداوم کسب‌وکار:
   تمامی صنایع ناگزیرند ریسک‌های عملیاتی (قطعی برق، خرابی تجهیزات یا حوادث امنیتی و طبیعی) را مدیریت کنند [15].
4. امنیت سایبری (Cybersecurity):
   تحول دیجیتال در صنعت باعث افزایش تهدیدهای امنیتی شده و همه صنایع را به استفاده از استانداردهایی نظیر IEC 62443 ترغیب می‌کند [15].
5. نوآوری و تحول دیجیتال:
   با ظهور مفاهیمی نظیر IIoT و هوش مصنوعی، صنایع مختلف به‌سمت دیجیتالی‌سازی و هوشمندسازی هرچه بیشتر پیش می‌روند [2].

نتیجه‌گیری:

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که علی‌رغم تفاوت در کاربردها و محیط‌های صنعتی مختلف، اصول کنترلی مشترکی شامل حس‌گری، پردازش داده‌ها، حلقه‌های بازخورد، تحریک و بهینه‌سازی عملکرد، به‌عنوان چارچوبی واحد در طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های اتوماسیون صنعتی به کار گرفته می‌شوند [7, 1].

علاوه بر این، ملاحظاتی فراتر از حوزه کنترل نیز در صنایع مختلف به‌چشم می‌خورد که شامل یکپارچگی داده و زیرساخت‌های ارتباطی، مدیریت ریسک، امنیت سایبری، استانداردهای ایمنی و آموزش نیروی انسانی متخصص می‌شود [15, 16].

در مورد ملاحضات فرا کنترلی و همچنین همگرایی اتوماسیون صنعتی در آینده، با توسعه استانداردهای جهانی و فناوری‌هایی مانند Digital Twin ، هوش مصنوعی و یا تأثیر شبکه‌های  5G  در نوشتارهایی  مجزا بحث خواهد شد.

منابع:

1. مصطفایی، ع. (1400). اتوماسیون صنعتی و کاربرد PLC در صنایع مختلف . انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران [1].
2. رضایی، ح. (1399). طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های کنترل صنعتی با استفاده از PLC و DCS . انتشارات دانشگاه تهران [2].
3. زمانی، ع. و محمودی، م. (1397). کنترل فرآیندهای صنعتی: نظریه‌ها و کاربردها . انتشارات دانشگاه صنعتی شریف [3].
4. حسینی، س. و کریمی، م. (1401). مبانی اتوماسیون صنعتی و کاربرد آن در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی . مجله مهندسی شیمی ایران [4].
5. شریفی، م. (1399). مبانی مدیریت صنایع و اتوماسیون . انتشارات سمت [5].
6. فرهادی، م. (1401). امنیت سایبری در سیستم‌های کنترل صنعتی و روش‌های مقابله با تهدیدات . انتشارات دانشگاه صنعتی شریف [6].
7. Ogata, K. (2010). Modern Control Engineering (5th ed.). Pearson [7].
8.  Baocang Ding, Yuanqing Yang (2024). Model Predictive Control

(1st ed.). Wiley-IEEE Press [8]

1. IEC 61508: Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems [9].
2. ISO 13849(2015): Safety of Machinery – Safety-Related Parts of Control Systems [10].
3. ANSI/ISA 95: Enterprise-Control System Integration [11].
4. IEC 61850: Communication Networks and Systems for Power Utility Automation [12].
5. NERC CIP: Critical Infrastructure Protection for Electric Utilities [13].
6. ISO 24510: Activities Relating to Drinking Water and Wastewater Services [14].
7. IEC 62443-3-2 (2020): Security for Industrial Automation and Control Systems – Part 32: Security Risk Assessment for System Design [15].
8. Eric D. Knapp (2024) Industrial Network Security: Securing critical infrastructure networks for smart grid, SCADA, and other Industrial Control Systems (Third Edition). Elsevier [16].
9. CENELEC EN 50126: Railway Applications – The Specification and Demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS) [17].
10. International Electrotechnical Commission (IEC). (2016). IEC 61508: Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Systems. Geneva: IEC [18].
11. Lee, J., & Bagheri, B. (2021). Industrial AI: A New Frontier for Automation. Springer [19].
12. Ersue, M., & Karnouskos, S. (2022). Convergence of Industrial Automation Systems: A Survey. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 21(3), 87-104 [20].