معرفی معماری سامانه‌های کنترل DCS مطرح دنیا – بخش ۱

معرفی معماری سامانه‌های کنترل DCS مطرح دنیا

 

بخش اول

معرفی سامانه‌ کنترل فرآیند TELEPERM XP

در این بخش به صورت خلاصه به تفاوت های سامانه‌های کنترل DCS و PLC اشاره خواهد شد، به طوری که خواننده بتواند بین این دو سامانه کنترل بر حسب نیاز‌های فرآیندی خود گزینه مناسب تر را برگزیند و در ادامه در راستای معرفی سامانه‌های کنترل DCS، به معماری و ساختار کنترلی سامانه TXP خواهیم پرداخت. لازم به ذکر است این سامانه که حاصل تلاش دپارتمان تولید برق زیمنس است، بیشتر برای کنترل پلنت‌های نیروگاهی به کار برده می‌شود.

۱- تفاوت سامانه‌های کنترل DCS و PLC [1-5]

یکی از سؤال‌های بسیار مهم که در انتخاب یک سامانه کنترل صنعتی برای یک فرآیند مطرح می‌شود، این است که برای آن فرآیند مذکور، کدام سامانه کنترل بهتر است؟ سامانه‌های DCS و PLC برای اهداف کاملاً متفاوتی طراحی شده‌اند. سامانه کنترل DCS همان طوری که از نامش پیداست، یک روش کنترل غیرمتمرکز یا توزیع شده می‌باشد.

به طوری که در آن کنترل‌کننده‌های مختلفی در سطوح مختلف فرآیند توزیع شده و به صورت گروهی کار کنترل فرآیند را اجرا می کنند؛ در حالی که PLCها به تنهایی برای کنترل فرآیند‌های پیوسته بزرگ مانند صنایع پتروشیمی و گاز قابل استفاده نیستند. در مقابل سرعت DCSها به اندازه PLCها نیست. البته امروزه به واسطه رشد و پیشرفت فناوری اشتراکات زیادی بین این دو سامانه به وجود آمده است و در بسیاری موارد می‌توان از PLCها نیز برای کنترل یک فرآیند شیمیایی استفاده کرد.

از طرف دیگر سرعت سامانه‌های DCS نیز رور به افزایش می‌باشد. از این رو به طور کلی می‌توان گفت که هر دو نوع سامانه در حال حاضر ماهیت یکسانی دارند و تنها نوع کاربرد و قابلیت های آنها با یکدیگر متفاوت است. تفاوت های اصلی بین سامانه‌های کنترل DCS و PLC به طور خلاصه عبارتند از:

۱. زمان مهندسی

۲. زمان چرخه پویش

۳. ظرفیت یا تعداد سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال

۴. نرم‌افزار‌های مهندسی

۵. افزونگی یا پشتیبان سخت افزاری

۶. شبکه‌

۷. سرعت

۸. قیمت

۹. معماری

۱-۱-زمان مهندسی

یکی از تفاوت‌های اصلی بین سامانه‌های کنترل PLC و DCS در زمان مهندسی و چگونگی برنامه‌ نویسی برنامه کنترل فرآیند و پایش اطلاعات آن می‌باشد. در طراحی یک سامانه اتوماسیون مبتنی بر PLC، معمولاً برای یک پروژه جدید، طراحی و نوشتن برنامه‌های مربوطه از صفر آغاز می‌گردد و یک مهندس باید در ابتدا تمامی بلوک‌های اصلی برنامه را طراحی و پیاده‌سازی کرده و سپس از آنها در ساخت برنامه استفاده نماید.

ولی در پیاده‌سازی یک سامانه کنترل DCS، عملاً برنامه‌ای برای بلوک‌های اصلی توسط مهندس DCS نوشته نمی‌شود. به طوری که از توابع از پیش تهیه شده توسط سازنده DCS استفاده می‌گردد. این توابع به صورت استاندارد طراحی و در کتابخانه‌های مختلف نرم‌افزار مهندسی DCS قرار داده می‌شوند.

در عمل یک مهندس DCS با یادگیری اصول عملکردی همان DCS و نرم‌افزار‌های مهندسی مربوطه و با مشخص شدن تعداد و وظایف کنترل‌کننده‌ها در طرح ساختار سامانه موردنظر، توابع مورد نیاز را از کتابخانه‌ انتخاب کرده و به شکل پازل کنار هم قرار می‌دهد.

۲-۱– ظرفیت ورودی/خروجی

به طور کلی می‌توان گفت که PLCها برای تعداد ورودی/خروجی زیر ۱۰۰۰ عدد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. درحالی که وقتی تعداد ورودی/خروجی از ۱۰۰۰مورد (مانند پلنت‌های پتروشیمی و نیروگاه) بالاتر باشد از سامانه‌های DCS استفاده می‌گردد.

۳-۱-کاربرد

همان‌طور که قبلاً اشاره شد، عموماً PLCها با هدف پردازش سیگنال‌های دیجیتال طراحی شده‌اند. اگر چه امروزه PLCها قابلیت پردازش حلقه‌های کنترلی آنالوگ مانند PID را نیز دارند؛ ولی باید به خاطر داشت که سامانه ‌های DCS ذاتاً برای اتوماسیون فرآیند که بیشتر متشکل از سیگنال‌های آنالوگ هستند طراحی شده‌اند.

بنابراین برای اتوماسیون فرآیند‌های بزرگ، سامانه DCS بکارگرفته می‌شود. در مقابل برای اتوماسیون صنایع کارخانه‌ای مانند خودروسازی که ۹۰% عملیات کنترلی بر اساس پردازش سیگنال‌های دیجیتال می‌باشد، اغلب از PLCها استفاده می‌گردد.

۴-۱-پشتیبان سخت افزاری/افزونگی

افزونگی یا پشتیبان سخت افزاری در سامانه ‌های کنترل به معنای استفاده از چند سامانه به طور همزمان است که مدل دوتایی آن بسیار متداول است ولی مدل‌های سه تایی و چهار تایی را هم در بعضی از سامانه های خاص می‌توان پیدا کرد.

افزونگی را می‌توان در سطوح مختلف سامانه کنترل اعم از سطح فیلد یعنی دستگاه‌های اندازه‌گیری، سطح شبکه، منابع تغذیه، ماژول‌های ورودی/خروجی و پردازشگر ها تعریف کرد. دقت شود که سامانه ‌های کنترل بسته به نوع و مدل DCS تا سطح خاصی از افزونگی را پشتیانی می‌کنند.

این به این معنی است که برای هرکار از دو المان به صورت موازی استفاده می‌شود و در صورت از کار افتادن یکی از سامانه ‌ها، دیگری به انجام عملیات می پردازد. در این مواقع همواره یکی در حال اجرا و دیگری در حالت آماده باش می‌باشد این کار موجب بالا رفتن درجه قابلیت اطمینان سامانه می‌گردد.

افزونگی پردازشگر در دو حالت تعریف می شود حالت اول حالت معمولی است که در آن پردازشگر اول کار خود را به صورت عادی انجام می‌دهد و وقتی برای آن مشکلی پیش می‌آید پردازشگر دوم کنترل را در دست می‌گیرد. در این حالت تغییر کنترل از پردازشگر اولی به دومی قدری زمان‌بر است که باعث می‌شود در این فاصله زمانی فرآیند از کنترل خارج شود.

حالت دوم حالتی است که هر دو پردازشگر همزمان عمل خواندن ورودی ها، اجرای منطق کنترل و ساخت خروجی‌ها را انجام می‌دهند. ولی فقط یکی از پردازشگرها خروجی‌ها را در کارت‌های ورودی-خروجی می‌نویسد.

به این حالت اصطلاحاً «آماده باش گرم » می‌گویند. در این حالت، پردازشگرها ورودی‌ها و نتایج خروجی را با یکدیگر چک می‌کنند و پردازشگری که کنترل را در دست دارد مقادیر خروجی‌ها را می‌نویسد. تعویض کنترل‌کننده از یک پردازشگر به دیگری بدون اتلاف وقت انجام می‌گیرد و در حین جابجایی فرآیند کاملاً تحت کنترل باقی می‌ماند.

سامانه ‌های DCS به علت کاربرد‌های مهم و حیاتی ای که دارند همواره باید در حال عملیات باشند. از این رو به منظور جلوگیری از توقف پلنت ذاتاً به صورت افزونه طراحی می‌شوند. معمولاً در تمام سطوح اعم از کارت های I/O، شبکه ارتباطی، کنترل کننده‌ها و منابع تغذیه دارای پشتیبان سخت افزاری هستند.

البته سامانه های DCS قابلیت پیاده سازی به صورت منفرد را نیز دارند؛ ولی معمولاً به دلیل ماهیت پلنت‌هایی چون پتروشیمی به صورت پشتیبان سخت افزاری پیکربندی و پیاده سازی می شوند.

پشتیبان سخت افزاری یاد شده در سامانه ‌های DCS امروزه با پیشرفت فناوری در PLCها نیز امکان پذیر می‌باشد. ولی معمولاً برای PLCهای با قابلیت بیش تر و سرعت بالاتر امکان پذیر است. به عنوان مثال شرکت زیمنس از خانواده S7 دو سری PLC دارد که از این میان تنها سری ۴۰۰ و آن هم چند نوع CPU خاص این قابلیت را دارد.

پیاده سازی PLCها به صورت افزونه معمولاً به تجهیزات و نرم افزارهای اضافی نیاز داشته و حجم کار مهندسی بیشتری نیز نسبت به حالت عادی طلب می‌کند که از این جهت معمولاً PLCها به صورت منفرد به کار گرفته می‌شوند.

۵-۱- شبکه بندی

برای ایجاد شبکه ارتباطی بین چند PLC ابتدا باید سخت افزار ارتباطی (کارت شبکه) را به آنها اضافه کرده و سپس تنظیمات نسبتاً زیادی را انجام داد و پس از آن برنامه‌ای برای ارسال و دریافت در شبکه در هر دو PLC بارگذاری کرد.

به همین دلیل در عمل، شبکه‌بندی PLCها احتیاج به یک تخصص جداگانه علاوه بر برنامه نویسی منطق برنامه کنترلی دارد. این در حالی است که یک سامانه DCS به طور پیش فرض دارای شبکه ارتباطی می‌باشد به طوری که تنظیمات مورد نیاز در اتصال گره های شبکه قبلاً توسط سازنده سامانه انجام شده و برنامه‌های مورد نیاز برای ارسال و دریافت داده طراحی و تست شده است و مدیریت ارتباط بین گره ها و نقل و انتقال اطلاعات توسط نرم افزارهای سامانه DCS صورت می‌گیرد.

۶-۱- قیمت

یکی از تفاوت های عمده بین سامانه های PLC و DCS در قیمت آنها می‌باشد. یک سامانه DCS قیمتی حداقل بیش از دو برابر نسبت به یک سامانه PLC را برای یک واحد با تعداد سیگنال‌های ورودی-خروجی یکسان دارد. به طور خلاصه می‌توان گفت که:

• سخت افزار DCS، ۵/۱ تا ۳ برابر گران‌تر است.

• نرم افزار DCS، در حدود ۵ تا ۱۰ برابر گران‌تر است.

• طراحی و پیاده سازی یک سامانه DCS نیاز به تخصص و هزینه‌ بالاتر دارد.

• آموزش سامانه DCS طولانی تر و هزینه آن بالاتر از PLC می باشد.

۷-۱- سرعت

از آن جایی که PLCها ذاتاً برای پردازش سیگنال‌های دیجیتال طراحی شده اند دارای سرعت بالاتری نسبت به سامانه ‌های DCS هستند و DCSها به دلیل وسعت و پیچیدگی، نمی‌توانند سرعتی در حد یک PLC داشته باشند. به همین دلیل در مواقعی که لازم است سامانه کنترل واکنش سریعی در مقابل رفتار فرآیند از خود نشان دهد از PLCها استفاده می‌شود.

به عنوان مثال سامانه ‌های قطع اضطراری یا ESD در پالایشگاه‌ها و نیروگاه‌ها از نوع PLC می باشند. به طور کلی می‌توان گفت که برای کاربردهای سرعت بالا از PLCها استفاده می‌شود. در عمل در لایه‌های پایین سامانه ‌های DCS یعنی در سطح کنترل کننده، هر یک از کنترل کننده ها در واقع یک PLC می باشند که با یک سامانه کنترل DCS در بالاسری در ارتباط هستند.

۸-۱- چرخه پویش

چرخه پویش برابر است با مدت زمان خواندن مقادیر سیگنال‌های ورودی‌، اجرای برنامه منطق کنترل و به روز آوری مقادیر خروجی.

از آن جایی که چرخه پویش باید بر پایه شرایط و نیاز‌های یک فرآیند تعریف و پیاده‌سازی گردد، برای سامانه‌های اتوماسیون PLC و DCS بسیار با اهمیت می‌باشد. به عنوان مثال اگر فرآیند مورد نظر دارای سرعت تغییر بالایی می‌باشد چرخه پویش باید به منظور کنترل بهتر از سرعت بالایی برخوردار باشد.

حال اگر فرآیند مورد نظر نیاز به چرخه پویش سریع سیگنال‌های دیجیتال I/O (سیگنا‌ل های I/O دیجیتال از لحاظ تعداد خیلی بیشتر از آنالوگ هستند) دارد بهتر است از PLCها استفاده شود. زیرا در مقایسه با DCS، ارزان‌تر خواهند بود. همچنین در کاربرد‌هایی چون ESD به دلیل نیاز به زمان چرخه پویش سربع‌تر (به طور نوعی ms10) همواره بهتر است از PLC استفاده شود.

[۱] SCADA vs DCS, http://members.iinet.net.au

[2] DCS or PLC? Seven Questions to Help You Select the Best Solution, http://www.sea.siemens.com/

[3] DCS, PLC, PC, or PAS, What it is? Or what it does?, Control Magazine, JULY 2001

[4]When to Consider DCS vs a PLC, Invensys Foxboro Foxboro, 2003

[5] DCS or PLC? What is the difference?, Internet Rsources

[6] SPPA-T2000 User Documentation, Version 8.5

[7] SPPA-T2000 User Documentation, Version 7.4

[8] TELEPERM XP System Overview, Siemens Power Generation, http://www.pg.siemens.com/en, 2002

درباره دکتر صادق اکبری

بررسی بیشتر

اترنت , TSN , UA OPC , افزونگی , بی درنگ

شبکه‌ای جدید و یکتا برای تمامی نیازهای صنعتی؛ آرزو یا واقعیت

شبکه‌ای جدید و یکتا برای تمامی نیازهای صنعتی؛ آرزو یا واقعیت مقدمه استفاده از شبکه‌های …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *