بررسي سيستم هاي كنترل صنعتي

[.sOuDeH. 16059]

مقدمه

اصطلاح اتو ماسيون صنعتي به طور عام مربوط به علوم و تكنولوژي كنترل پروسه است و شامل كنترل فرايند هاي متفاوتي در صنعت است. اين بحث امروزه در مجامع صنعتي بصورت خيلي عادي رايج است و در بسياري از اماكن صنعتي به مرحله اجرا در آمده است. توسعه در كنترل و صنعتي سازي امكان پيشرفت بيشتر و گسترده تر پروسه هاي پيچيده و دخالت دادن تكنولوژيهاي جديد و استفاده از مزاياي اقتصادي آنها را فراهم ساخته است . و لازم است به اين نكته مهم متذكر شويم كه اقتصادي كردن سيستمها زير ساخت پيشرفتهاي آن بوده و هست وهمين پيشرفت ها منجر به اين شد كه اقبال عمومي نظر به سيستمهاي تمام توماتيك داشته باشد.

يكي از قايليتهاي مهم خودكار سازي وجود تجهيزات قابل انعطاف يا به عبارتي انعطاف پذيري است كه به اختصار مي توان به شكل زير تعريف كرد:

سازگاري آرام و پيوسته در تغيير يك كارخانه با رعايت استفاده بهينه از امكانات موجود و گام برداشتن به سوي پيشرفت با رعايت انطباق با سيستمهاي قديمي و بالا بردن قابليتها و كيفيت توليد و بهينه سازي در مواد اوليه مصرفي و انرژي.

اين خواسته سيستمها را به سوي طراحي و ساخت مجتمعهاي تمام كامپيوتري CIM هدايت كرد. اين مقوله روي نمايش پروسه ها در زمان كنترل توليد و قابليت تقسيم كار بين قسمتها و طراحي فراورده ها با مواد اوليه و انرژي مصرفي و زمان كم و كيفيت بالا تمركز دارد.در بحث توسعه تكنولوژي و اتوماسيون مدرن عوامل متفاوتي دخالت داشته اند كه از جمله آنها عبارتند از:

 

پيشرفت ميكرو پروسسور ها، حافظه ها و توسعه تكنولوژي VLSI مربوط به سنسورها و تكنولوژي فيبر نوري

عملي شدن كنترلر هاي قابل برنامه ريزي(PLC)

استاندارد كردن سخت افزارهاي ماژولار و نرم افزار هاي كنترل پروسه

پيشرفت در تكنولوژي كامپيوتر

ضرورت ايجاد قابليتهاي نمايش فرايندها به صورت on-line و به شكلي جذاب براي ارتباط كاربر به صورت استاندارد

استاندارد شدن ارتباط و خطوط مخابره داده در كامپيوترها

سازگار بودن با روشهاي متفاوت سيستم . كنترل جديد مانند تخمين پارامتر ، كارهاي وفقي بهينه و خود تنظيمي

توسعه روشهاي هوشمند علمي و عملي

[.sOuDeH. 16059]

فصل اول - مقدمه اي بر سيستم هاي كنترل

 

 

 

1-1كنترل و اتوماسيون

در هر صنعتي اتوماسيون سبب بهبود توليد مي گردد كه اين بهبود هم در كميت وميزان توليد موثر است و هم در كيفيت محصولات.هدف از اتوماسيون اين است كه بخشي از وظايف انسان در صنعت به تجهيزات خودكار واگذار گردد.بسياري از كارخانه ها كارگران خود را براي كنترل تجهيزات مي گمارند و كارهاي اصلي را به عهده ماشين مي گذارند. كارگران براي اينكه كنترل ماشينها را به نحو مناسب انجام دهند لازم است كه شناخت كافي از فرايند كارخانه و وروديهاي لازم براي عملكرد صحيح ماشينها داشته باشند.يك سيستم كنترل بايد قادر باشد فرايند را با دخالت اندك يا حتي بدون دخالت اپراتورها كنترل نمايد.در يك سيستم اتوماتيك عمليات شروع،تنظيم و توقف فرايندبا توجه به متغير هاي موجود توسط كنترل كننده سيستم انجام مي گيرد.

2-1مشخصات سيستمهاي كنترل

هر سيستم كنترل داراي سه بخش است:ورودي ،پردازش و خروجي . بخش ورودي وضعيت فرايندو وروديهاي كنترلي اپراتور را تعيين كرده ومي خواند بخش پردازش با توجه به وروديها، پاسخهاو خروجيهاي لازم را مي سازدو بخش خروجي فرمانهاي توليد شده را به فرايند اعمال مي كند.در كارخانه غير اتوماتيك بخش پردازش رااپراتورها انجام مي دهند.

اپراتور با مشاهده وضعيت فرايند، به طور دستي فرامين لازم را به فرايند اعمال مي كند.

 

 

 

 

 وروديها

در قسمت وروديها،مبدلهاي موجود در سيستم، كميتهاي فيزيكي را به سيگنالهاي الكتريكي تبديل مي كند.در صنعت مبدلهاي زيادي نظير دما ،فشار،مكان،سرعت،

شتاب و غيره وجود دارند.خروجي يك مبدل ممكن است گسسته يا پيوسته باشد.

 خروجيها

در يك كارخانه عملگرهايي وجود دارند كه فرامين داده شده به آنها را به فرايند منتقل مي كنند.پمپها، موتورهاو رله ها از جمله اين عملگرها هستند.اين وسايل فراميني را كه از بخش پردازش آمده است(اين فرامين معمولا الكتريكي هستند)به كميتهاي فيزيكي ديگر تبديل مي كنند.مثلايك موتور،سيگنال الكتريكي را به حركت دوار تبديل مي كند.ادوات خروجي نيز مي توانندعملكرد گسسته ويا پيوسته داشته باشند.

 پردازش

در يك فرايند غير اتوماتيك اپراتورها با استفاده از دانش و تجربه خودوبا توجه به سيگنالهاي ورودي،فرامين لازم را به فرايند اعمال مي كنند.اما در يك سيستم اتوماتيك،قسمت پردازش كنترل كه طراحان در آن قرار داده اند، فرامين كنترل را توليد مي كنند.طرح كنترل به دو صورت ممكن است ايجاد شود.يكي كنترل سخت افزاري و دوم كنترل برنامه پذير.

در يك سيستم با كنترل سخت افزاري،بعد ازنصب سيستم، طرح كنترل ثابت و غير قابل تغيير است. اما در سيستمهاي كنترل برنامه پذير.طرح كنترلي در يك حافظه قرار داده مي شود و هر گاه لازم باشد،بدون تغيير سخت افزار و فقط برنامه درون حافظه، طرح كنترل را مي توان تغيير داد.

3-1 انواع فرايندهاي صنعتي

در صنايع امروز طيف متنوعي از فرايندهاي توليد وجود دارند.از نظر نوع عملياتي كه در فرايند انجام مي شود،فرايند ها را مي توان به سه گروه تقسيم كرد:

• توليد پيوسته

• توليد انبوه

• توليد اجزاي جدا

سيستم كنترلي كه براي يك فرايند بكار گرفته مي شودبايد با توجه به نوع آن باشد.

 فرايند توليد پيوسته

در يك توليد پيوسته مواد در يك رديف و بطور پيوسته وارد فرايند شده و در سمت ديگر،محصول توليدي خارج مي گردد. فرايند توليد، ممكن است در يك مدت طولاني به طور پيوسته در حال انجام باشد.توليد ورق فولاد نمونه اي از فرايند است. در خط توليد ورقه فولاد.بلوكهاي گداخته فولاد ازبين چندين غلتك عبور مي كند و تحت فشار قرار مي گيرد.

در اثر فشار ضخامت قطعه فولاد رفته رفته كم شده و در انتهاي خط توليد ورقه فولاد توليد مي گردد. بسته به طول فولاد چندين دقيقه طول مي كشد تا توليد يك ورقه،كامل گردد.

 فرايند توليد انبوه

در چنين فرايندي ميزان مشخصي از مواد اوليه وارد خط شده و پس ازطي مراحل توليد مقدار مشخصي محصول به وجود مي آيد.

 فرايند توليد اقلام مجزا

در اين نوع فرايند،هر محصول در طول خط توليد از قسمتهاي مختلفي مي گذردو در هر بخش، عمليات مختلفي روي آن انجام مي گيرد. در هر قسمت ممكن است اجزايي به محصول اضافه شود تا در انتهاي خط توليد، محصول كامل ساخته شود.

4-1 استراتژي كنترل

 كنترل حلقه باز

ايده اصلي در اين كنترل اين است كه سيستم تا حد ممكن دقيق طراحي شود. به طوري كه خروجيهاي دلخواه را توليد كند و هيچ اطلاعاتي را از خروجي فرايند بهكنترل كننده برگردانده نشود تا كنترل كننده تشخيص دهد آيا خروجي در حد مطلوب است يا خير.بدين خاطر ممكن است خطاي خروجي در بعضي مواقع خيلي زياد باشد. در يك سيستم با كنترل حلقه باز تا وقتي كه اختلال و جود نداشته باشد فرايند به خوبي عمل مي كند، اما اگر اختلال نا خواسته اي باعث شود،خروجيها از حد مطلوب خارج شونددر اين صورت ممكن است سيستم كلي از كنترل خارج شود.

 

 

 كنترل پيشرو

درموقعي كه اختلالات خارجي كه بر عملكرد سيستم تاثير مي گذارد شناخته شده باشند مي توان با مشاهده و اندازه گيري ميزان اختلال تا حد امكان اثر اختلال را جبران نمود. اين نوع كنترل را كنترل پيشرو مي گويند. اين نحوه كنترل هنگامي كه ميزان اختلال كم باشد و بتوان به طور دقيق آن را اندازه گرفت مناسب است. اما اگر اختلال خيلي زياد باشد شيوه مناسبي نيست. همچنين در مواقعي كه اندازه گيري خروجي به طور مستقيم امكان پذير نباشد،اين نوع كنترل مناسب نيست.

 

 

 كنترل حلقه بسته (Field back) :

در اين كنترل براي جبران اثر اختلال ، خروجي سيستم اندازه گيري مي شودو در صورتي كه خروجي از مقدار مطلوب فاصله داشته باشد،تدابير كنترلي مناسب براي جبران آن اعمال مي شود.به اين صورت كه خروجي سيستم اندازه گيري شده و تفاوت آن با مقدار مطلوب محاسبه مي گردد. تفاوت بين اين دو كميت به كنترل كننده داده شده و كنترل كننده با توجه به ميزان اين خطا فرايندرا كنترل مي نمايد.

سيگنال خطا=نقطه تنظيم - ميزان اندازه گيري شده E=SP-MV

بايد توجه كرد كه صفر نمودن خطا در عمل امكان پذير نيست ودر هر سيستم كنترلي هميشه تفاوت ناچيزي بين خروجي مطلوب و خروجي واقعي وجود خواهد داشت، اما تا وقتي كه اين خطا تا حد قابل قبول باشد از آن چشم پوشي مي گردد.

 

 

[.sOuDeH. 16059]

5-1انواع كنترلر ها

 

 

كنترلر مغز متفكر يك پردازش صنعتي است و تمامي فراميني راكه يك متخصص در نظر دارد اعمال كند تا پروسه، جريان استاندارد خود را در پيش گيرد و نهايتا پاسخ مطلوب حاصل شود از طريق كنترلر به سيستم فهمانده مي شود. در واقع هرگاه پروسه هاي صنعتي به تنهايي و بدون استفاده از كنترل كننده در حلقه كنترل قرار گيرند معمولا پاسخهاي مطلوبي را به لحاظ ويژگيهاي گذرا يا ماندگار نخواهند داشت.بنابراين انتخاب و برنامه ريزي يك كنترلر مناسب از مهمترين مراحل يك پروسه صنعتي است.انتخاب كنترلر با توجه به درجه اهميت پاسخ گذرا يا ماندگار و يا هردو و همچنين ملاحظات اقتصادي ويژه صورت مي پذيرد.

يك كنترلر چگونه عمل مي كند؟ در ابتدا سيگنال خروجي از سنسور وارد كنترلر مي شود و با مقدار مبنا مقايسه مي گردد و نتيجه مقايسه كه همان سيگنال خطا مي باشد، معمولا در داخل كنترلر هم تقويت شده و هم بسته به نوع كنترلر و پارامترهاي مورد نظر، عملياتي خاص روي ان انجام مي گيرد سپس حاصل اين عمليات به عنوان سيگنال خروجي كنترل كننده به بلوك بعدي وارد مي شود.

مقايسه سيگنالها و تقويت اوليه در همه كنترلر ها صرف نظر از نوع انها انجام مي گيرد ،در واقع اين عمليات بعدي است كه نوع كنترلر را مشخص مي كند.

كنترلر ها از نظر نوع عملكرد به انواع زير تقسيم بندي مي شوند:

1-5- 1كنترلر هاي ناپيوسته (گسسته)

• كنترلر هاي دو وضعيتي:اين نوع كنترلر ها ساختماني ساده و كم حجم دارند و به نسبت ارزنتر از ديگر كنترلرهاي پيچيده هستند به همين خاطر كاربردهاي فرواني در صنعت ودر مكانهايي كه كنترل تركيبي ،پيوسته و پيچيده مورد نظر نيست دارند.

• كنترلر هاي سه وضعيتي

• كنترلرهاي چند وضعيتي

 

 

شكل1-5 :انواع كنترلر ها

 

2-5-1 كنترلر هاي پيوسته:



كنترلر تناسبي: (Proportional)

 

دراين نوع كنترلربين خروجي و ورودي يك نسبت مستقيم وجود دارد با يك ضريب مشخص كه آنراگين يا بهره كنترل كننده مي نامند.

سيگنال خطا *Kp = خروجي

البته كنترلر تناسبي به تنهايي كافي نيست . زيرا وقتي خروجي سيستم بسمت مقدار مطلوب پيش مي رود، خطا كاهش يافته و در نتيجه خروجي كنترلي نيز كم مي گردد.

بنابراين همواره يك خطاي ماندگار بين مقدار مطلوب و خروجي واقعي وجود دارد.

اين خطا را مي توان با افزايش بهره كنترل كننده كاهش داد اما باعث ناپايداري سيستم و نوسان خروجي مي شود. براي حل اين مشكلات معمولا كنترلرتناسبي را همراه كنترلرهاي مشتق و انتگرال بكار مي برند.

 كنترلر انتگرالي(Integral):

همانطور كه از نامش پيداست بين ورودي و خروجي يك رابطه انتگرالي برقراراست

اين كنترلر براي جبران خطاي ماندگار به كار مي رود،زيرا تا وقتي كه خطايي در خروجي وجود داشته باشد،جمله انتگرال تغيير پيدا مي كند و در نتيجه خطاي خروجي رفته رفته كاهش مي يابد.

 كنترلر تناسبي – انتگرالي (PI) :

كنترلر PIتركيبي از كنترلر انتگرالي و تناسبي است كه به صورت موازي بهم وصل شده اند.(شكل2-5) اين كنترلر اگر بطور صحيح طراحي شود مزاياي هردونوع كنترل انتگرالي و تناسبي را خواهد داشت .پايداري ، سرعت و نداشتن خطاي حالت ماندگار از ويژگيهاي اين كنترلر است.

 

 

 

شكل 2-5 : كنترلر PI

 

 كنترلر تناسبي – مشتق گير(PD):

كنترلر PDاز تركيب موازي دونوع كنترلر مشتق گير و انتگرالي ايجاد مي شود.

كنترلرمشتق گيرداراي اين مشخصه است كه خود را سريعا با تغييرات ورودي هماهنگ مي كنند

لذا در مواردي كه پاسخ سريع خروجي مد نظر است مي توان از اين نوع كنترلر ها استفاده كردامااز انجايي كه عمل مشتق گيري باعث تقويت نويزهاي موجود در محيط پروسهمي شوندو به علاوه مشتق گيرها تنها نسبت به تغييرات ورودي حساسيت نشان مي دهندبنابراين مشتق گيرها به تنهايي مورد استفاده قرار نمي گيرند بلكه هرگاه نياز به خاصيت مشتق گيري در يك پروسه باشد ،كنترلرآان را به صورت مشتق گير-تناسبي يا مشتق گير-انتگرالي يا مشتق گير-تناسبي – انتگرالي مي سازند.

 كنترلرPID:

اين نوع كنترلر از تركيب موازي سه كنترلر تناسبي ،انتگرالي و مشتق گير ايجاد مي شود و متداولترين نوع كنترلر در صنايع مي باشد.

 

 

 

شكل3-5 : كنترلرPID

انواع ديگري از كنترلرها كه از نظر منبع تغذيه مورد استفاده ،ساختمان داخلي و انواع كاربردها با كنترلر هاي ذكرشده در بالا اندكي متفاوت هستند.

 

• كنترلر هاي نيوماتيكي(Pneumatic):اين نوع كنترلر از باد و هواي فشرده بعنوان منبع تغذيه استفاده مي كند.بدليل ساختمان ساده،راحتي تعمير و نگهداري ، ايمني در برابر انفجار و اتش سوزي و ارزاني انها كاربردهاي فراواني در صنعت داشته اند و امروزه بدليل جايگزين شدن سيستمهاي پيچيده الكترونيكي و نرم افزارهاي كنترلي قابل تغيير و پياده سازي بر روي سيستمهاي الكترونيكي ،كمتراز كنترلر هاينيو ماتيكي استفاده مي شود.

• كنترلر هاي هيدروليكي(Hydraulic):اين نوع كنترل كننده ها از نيروي روغن هيدروليك تحت فشار به عنوان منبع تغذيه استفاده مي كنند، مزاياي زيادي كه اينگونه سيستمها دارند، باعث شده تا جاي خوبي براي خودشان در صنعت باز كنندو در جاهايي كه حركات تحت فشار و وزن بالا انجام مي پذيرد سيستمهاي هيدروليك بهترين و دقيق ترين عملكرد را از خود نشان مي دهند كنترلر هاي هيدروليك علاوه برقابليت انجام حركت سنگين بطور پيوسته داراي دقت و سرعت عمل بسيار خوبي نيز مي باشند.امروزه باوجود جايگزيني مدلهاي الكترونيكي پيچيده تر و كارامدتر هنوز هم نمي توان كارايي هاي بالا و منحصر بفرد سيستمهاي هيدروليكي را ناديده گرفت.

• كنترلرهاي الكترونيكي (Electronic):كنترلرهاي الكترونيكي ، كنترلرهايي هستند كه از نيروي الكتريسيته جهت كنترل، هدايت و فرمان دادن استفاده مي كنند .

6-1 سير تكاملي كنترل كننده ها

در سال 1940 براي نماسازي دستگاههاي كنترلي از سيگنال فشار 3psi تا 15psi استفاده مي شده است . در سال 1960سيگنالهاي استاندارد انالوگ 4mA-20mA براي كنترل ابزار دقيق مورد استفاده قرار گرفته است در همان زمان برخي از استانداردهاي ديگر نيز بوجود آمد.توسعه پردازنده ديجيتال در دهه 70ميلادي ، استفاده از كامپيوترهاي رابراي نماسازي و كنترل يك سيستم ابزار دقيق از يك نقطه مركزي توسعه داد. در دهه 90 براي بهينه سازي اجراي سيستم هاي كنترل و فشردگي بيشتر سيستها فيلدباس ايجاد گرديد كه به تدريج استاندارد شد.انچه تصويرزيربيان مي كند اين است كه سير پيشرفت علم كنترل از اتوماسيون مكانيكي اغاز گرديده و سپس با اتوماسيون پنوماتيك ادامه يافته و پس ازآن بسمت الكتريكي شدن پيش رفته است .پس از ايجاد كنترل كننده هاي قابل برنامه ريزي ، انفور ماتيك و الكترونيك رشد كرده و به شيوه الكترونيكي در حجم گسترده تري بوجود آمده است.

 

 

[.sOuDeH. 16059]

فصل دوم - انتقال اطلاعات در صنعت

 

 

1-2 مقدمه:

در سالهاي اخير مسئله بر قراري ارتباط در پروسه هاي صنعتي رشد چشمگيري داشته است. پيش از اين ارتباط درصنعت و پرو سه هاي كنترل صنعتي به فرستادن سيگنال از جانب يك مركز كنترل به مركز فرماندهي خلاصه مي شد، اما امروزه تمام كنترل كننده هاي كوچك و بزرگ (PLCs) در هر نقطه اي از فيلد كه باشند بايد با يكديگر و در نهايت بامركزكنترل مربوط به خود ارتباط بر قرار كنند و همين امر باعث پيچيده شدن هرچه بيشتر سيستمهاي ارتباطي خواهد شد.

PLCها امروزه طوري طراحي و سا خته مي شوند كه بجز وظيفه اصلي و مهم خود كه همان اجراي فرامين كنترلي تعريف شده و كنترل اتو ماتيك يك پروسه صنعتي است، بتوانند موارد مهم ديگري از قبيل برقراري ارتباط با مركز كنترل و ديگر كنترل كننده هاي داخل فيلد را نيز بر عهده بگيرند. بنابراين در ساختار داخلي آنها پيش بيني هاي لازم جهت استفاده از ابزار ها و لوازم خاص ارتباطي صورت گر فته است.

به عنوان مثال مي توانيم يك سيستم PLC كه در محل خط توليد قرار دارد و توسط ترمينال مخصوص شبكه محليLAN(Local area network) به ماشينهاي مركز كنترل كه در محل اتاق كنترل كار خانه قرار دارند،متصل كنيم و از همانجا ، PLCرا كنترل كنيم.

مثلا مي توانيم بهPLC فرمان دهيم تا رو تين كنترلي مربوط به توليد قطعه اي خاص را اجرا كرده ، فرامين آنرا صادر كندو همچنين بر روند كل پروسه نظارت كامل داشته باشد.

سپس نفر بعدي كه در شيفت بعدي فعاليت مي كند ، مي تواند يك گزارش كامل از چگونگي كنترل پروسه توسطPLCمورد نظر را تهيه كرده و از روي آن تعداد قطعات سالم و خراب و حتي زمانهاي از دست رفته و تلف شده در حين توليد را محاسبه كند.

مركز تعميرات كارخانه نيز مي تواند با استفاده از روشهاي ارتباطي و مخابراتي ، از بروز اشكال در هريك از ماشينهاي كار خانه اطلاع حاصل كرده و پرسنل تعمير كاري را جهت رفع اشكال اعزام دارد، مركز تعميرات حتي مي تواند با اطلاع داشتن از وضعيت كليه ماشينهاي خراب، اولويت تعمير را به هر كدام از آنها واگذار كند.

براي درك بهتر مطلب شكل1-1 را كه بلوك دياگرام معماري شبكه ارتباطي را در بخشي از كارخانه نشان مي دهد ، ببينيد.

 

 

 

شكل 1-1:شبكه محلي PLCsو شبكه گسترده ETHENET بين كار خانه ها

همانطور كه در شكل مشخص شده هر ماشين يك PLCدارد كه آنها توسط شبكه محلي LANبهم مر تبط هستند و همگي روي لينك ارتباطي شبكه گسترده Ethernetبه هم مر تبط مي شوند.

 

در نگاه اول ممكن است اينطور به نظر برسد كه PLCها و كنترل كننده هاي محلي تمامي اطلاعات در يافت كرده و جمع آوري كرده را مستقيما به كامپيوتر هاي اصلي در مركز كنترل كارخانه ارسال مي كنند، اما در عمل چنين چيزي غير ممكن است ، زيرا با ارسال چنين حجم بزرگي از اطلاعات ، كه در صد بسيار زيادي از آنها نيز براي مركز كنترل بي ارزش محسوب مي شوند،كامپيوتر هاي مركز كنترل دچار مشكل شده و خيلي زود از كار خواهند افتاد.امروزه PLCها و كنترل كننده هاي محلي، خود به تنهايي قادر به آناليز اطلاعات جمع آوري شده مي باشند ، بنابراين پس از بررسي و آناليز اطلاعات مي توانند موارد سودمند و قابل استفاده براي سيستم كنترل را به مركز كنترل ارسال كرده تا از آنها استفاده شود و در ضمن نسخه پشتيبان نيز از اين اطلاعات تهيه خواهد شد.

شبكه هاي محلي در محيط هاي صنعتي امروزه امكان استفاده هاي مختلفي را براي بخش ها و قسمت هاي مختلف كارخانه فراهم آورده اند،به عنوان مثال سيستم شبكه محلي كامپيوتر ها بين بخش هاي مختلف كارخانه كه شامل امكانات پست الكترونيكي و انتقال اطلاعات بين كارمندان است،مي تواند در كنار شبكه هاي صنعتي PLC،روي لينك شبكه محلي LANقرار گيرد و يك سيستم ارتباطي جامع را پديد آورد.

2-2 معماري شبكه:

در سالهاي اخير توليد كنندگان تجهيزات الكترونيكي و خصوصا سازندگان كنترلر ها و PLCها متو جه ساخت سيستمهاي ارتباطي شده اندو اغلب آنها را ههايي را براي ارتباط بين سيستم هاي كنترل ساخت خو دشان پيشنهاد مي كنند.

اما با گذشت زمان و پيشرفت روز افزون صنايع و رشد چشمگير آنها استفاده از يك نوع كنترلر و PLC در تمام سطوح كارخانه اي بزرگ امري غير ممكن مي نمايد و بنابراين بايد چاره ايي انديشيدتا كنترلرها وPLCهاي مختلف از مارك ها و مدل هاي مختلف كه هر كدام به كنترل سيستمي خاص مي پردازند(مثل كنترلر دستگاههاي CNCيا روباتهاي مونتاژگر) بتوانند با يگديگر ارتباط بر قرار كنند

بنابراين مدلي جامع متشكل از هفت لايه مجزا،به نام مدل ISO براي تعريف شبكه در نظر گرفته شد،شكل1-2،مدل هفت لايه اي ISO را نشان مي دهد.

 

 

شكل1-2 :مدل هفت لايه ا يISO

 

تمام تجهيزات الكترونيكي در زمينه شبكه هاي ارتباطي امروزه از يك يا چند لايه از اين مدل استفاده مي كنند و فعاليتهاي ارتباطي خود را تحت پوشش اين استاندارد قرار داده ا ند. در اين بخش سعي خواهيم كرد كه تو ضيح مختصري در مورد هر يك از لايه ها به شما ارائه دهيم.

 

لايه فيزيكي(Physical Layer):

ساده ترين لايه موجود لايه فيزيكي است كه در موردشرايط جابجايي سيگنال هاي الكتريكي در طول خطوط و ما بين ابزار هاي مختلف شبكه به بحث مي پردازد.

نوع و شرايط كابل ها و سيم هاي ارتباطي و انواع سيگنال هاي مختلف مثل سيگنالهاي و پالسهاي on/offو شرايط انتشار آنها در اين بخش مورد بحث قرار مي گيرند،

اما مقوله تشخيص خطا و رفع آن در محدوده كاري لايه فيزيكي نمي باشدو تنها در مورد رابطه هاي فيزيكي كه كانال هاي مختلف را به هم مرتبط مي كنند، صحبت مي كند.

لايه ديتالينك(Data link Layer):

اين لايه در تركيب با لايه فيزيكي مي تواند ضريب اطمينان كار با شبكه را تا حد بسيار زيادي بالا ببرد، زيرا اين لايه به بحث در مورد تشخيص خطا ياError Detection مي پردازدو همچنين پس از پرداختن به مقوله تشخيص خطا در امر رفع ان خطا نيز راه حل هاي مناسبي را ارائه خواهد كرد.

بنابراين بحث در مورد Error Detectionو Error Recovery از مباحث مربوط به اين بخش مي باشد.همچنين موارد ديگري نظير كنترل جريان اطلاعات ياData Flow كه شامل نكاتي از قبيل زمان شروع و پايان ارسال و دريافت اطلاعات، تعاريف مربوط به بسته بندي ياPackage اطلاعات(طول كلمه ديتا و چگونگي شروع و خاتمه ان) تعاريف مربوط به زمان بندي بر قراري ارتباط جهت ارسال و دريافت اطلاعات ، چگونگي اعلام دريافت اطلاعات(با و بدون خطا) توسط گيرنده،تعاريف مربوط به زمان لازم براي ماندن در حالت انتظار جهت دريافت و ارسال اطلاعات و مواردي ديگرشبيه به اينها هستندنيز در حوزه كار لايه ديتالينك قرار دارد.

لايه شبكه(Net work Layer):

كار اين لايه ارائه يك مكانيزم مناسب و كارآمد براي شبكه سراسري است در واقع اين لايه يك مكانيزم ارائه اطلاعات براي لايه انتقال دهنده آنها ارائه مي دهد،مثل شبكه اي از چند PLC مختلف كه اطلاعات كلي خودشان را به يك كامپيوتر اصلي ارائه مي دهند.

لايه شبكه از تركيب سخت افزار و نرم افزار هاي مناسب براي ارائه پروتكل هاي كارامد ارتباطي نظير X.21,X.25,X.75 استفاده كرده و مناسب ترين روش هاي فشرده سازي اطلاعات جهت دستيابي به سرعت هاي بالاتر ارتباطي را ارائه مي دهد.

لايه انتقال(Transport Layer):

اين لايه در مورد اتصال وارتباط يك شبكه با شبكه اي ديگر صحبت مي كند،در واقع از اين لايه به بعد،شبكه خيلي تخصصي تر و دقيق تر شده و هركدام مي توانند پيچيدگي هاي خاص خو دشان را داشته با شند،اما اغلب شبكه داراي نكات بسيارمشابهي در سه لايه اوليه هستند.

در اين لايه همچنين درمورد استفاده از لايه هاي بالاترجهت نظارت بركار لايه هايپائين تربحث مي شود.

Session Layer

اين لايه در مورد برقراري يك جلسه ارتباطي از طريق شبكه، بين دو كاربر مختلف صحبت مي كند،بحث اصلي در مورد برقراري ارتباط، نگه داشتن آن در طول زمان تعيين شده و در نهايت قطع ارتباط در موقع لازم ، مي باشد.

به عنوان مثال دفتر تعميرات كارخانه مي تواند از طريق ارتباط با شبكه داخلي كارخانه با قسمت تداركات ارتباط برقرار كرده و مو قع خريد لوازم مورد نياز را گزارش دهد، استاندارد هاي تعريف شده براي اين لايه عبارتند از: CCITT,X212,ISO8326

Application Layer

اين لايه امكاناتي را جهت هماهنگ كردن تمام لايه ها با يكديگر جهت برقراري ارتباط و ارسال و دريافت اطلاعات با لايه ها و شبكه هاي ديگرارائه مي دهد و اگر اختلافي بين لايه هاي مختلف و سيستم هاي مختلف وجود داشته باشد، اين لايه مي تواند راه حلي مناسب جهت هماهنگي ارائه دهد.

به عنوان مثال فرض كنيد كه نرم افزاري خاص روي يكي از ترمينال هاي كارخانه در سال 1980نصب شده و هم اكنون نيز بكار خود ادامه مي دهد و نرم افزار ديگري مثل يك سيستم پست الكترونيكي در سال 1990 در شبكه دفتر كار خانه قرار گرفته،لايه application مي تواند مشكلات بر قراري ارتباط بين آنها را بر قرار كند.

 

 

 

 

شكل 2-2:ترمينالهاي مخصوص دفتر نظارت و دفتر تعميرات كه از طريق شبكه بايكديگر ارتباط دارند لايه session اطلاعات مربوط به هر بخش را جدا گانه نگهداري مي كند.

[.sOuDeH. 16059]

3-2 استاندارهاي معروف لايه فيزيكي شبكه هاي صنعتي

RS-232: معمولترين و همگاني ترين استاندارد لايه فيزيكي RS-232 مي باشد كه سير تكاملي آن از RS-232-C تا RS-232-F است. حداكثر انتقال داده به علت دامنه و ولتاژ زياد نسبت به پروتكل هاي ديگر كمتر است.(حدود 115kbps) حداكثر فاصله دو ايستگاه 16 متر است و دو نوع سيم بندي(9و 25 رشته) در آن استاندارد شده است .

ماوس ، صفحه كليد و مودم كامپيوترهاي شخصي از اين درگاه استفاده مي كنند.محدوده ولتاژ “1” منطقي در RS 232-C از 3- تا 15- و “ 0” منطقي از3+ تا 15+ است.

RS-449: اين استاندارد جايگزين RS 232در سرعتهاي بالاتراز 20kbps شده است. دو نوع اتصال 9و 37 براي آن معرفي و استاندارد شده است. اين استاتدارد هم اكنون منسوخ شده است و ليكن هنوز برخي از دستگاهها براي ارتباطات از اين استاندارد استفاده مي كنند.

RS-530: توسعه يافته RS-449 و RS- 232 است و براي سرعت هاي بالا تر از 20kbps مناسب است. اين استاندارد از خطوط بالانس وبراي اتصال ازDB-25 استفاده مي نمايند به هر دو صورت سنكرون و آسنكرون قابل استفاده است و مي تواند در دو حالت دو سويه و يك سويه كار كند. فاصله دو ايستگاه طبق استاندارد 60 متر است.

RS-423: اين استاندارد در حقيت توسعه يافته RS 232 است تغييرات اساسي آن افزايش تعداد ايستگاهاي گيرنده ،مسافت ارسال و سرعت مي باشد.

اين پروتكل يك فرستنده را به چند گيرنده (تا ده ايستگاه) متصل مي كند و حداكثر فاصله انتقال داده براي آن 1200 متر است . يكي از عوامل محدود كننده سرعت Slew Rate است . بدين معنا كه دامنه ولتاژ در RS 232بالاست و به همين علت دست يافتن به سرعت بالا با توجه به خازن خط و پيچيدگي مدار مشكل است . براي افزايش سرعت لازم است دامنه سطوح و لتاژ كاهش يا بد . در همين راستا ولتاژ منطقي “1”در RS 423 برابر 3.6v- تا 6v- است و ولتاژ“0” منطقي برابر 3.6v تا 6v است . بدنبال اين تغيير، سرعت انتقال داده در RS 423 چهار برابر RS 232 است .

RS-422: شباهت زيادي به RS 232دارد ولي تا 16گيرنده را پشتيباني مي كند. اين پروتكل كه از خطوط بالانس براي انتقال داده استفاده مي كند، اثر نويز پذيري را بشدت كاهش داده است . در ورودي گيرنده ها از تقويت كننده ديفرانسيل استفاده شده است لذا به نسبت حذف مد مشترك ، نويز از بين مي رود. بيشترين سرعت اين پروتكل در 3 متر فاصله ، برابر 10Mbpsاست حداكثر فاصله مي تواند 1200 متر باشد كه متناسب باآن سرعت كاهش مي يابد.

گيرنده و فرستنده بصورت ولتاژي كار مي كند(از سيگنالهايي با جنس ولتاژي استفاده مي كند)كه اين نوع رفتار باعث نويز پذيري بيشترنسبت به جريان مي شود.

RS-485: بيش از 32 فرستنده و گيرنده را پشتيباني مي كند. در اين استاندارد مي توان بيش از يگ گره را به عنوان رئيس (Master)معرفي نمود زيرا مدارت سه وضعيتي هستند و با كمك يك مدار جانبي حالتهاي مختلف يك خط را كنترل مي كنند و به اين روش گره هم قابليت دريافت و هم ارسال خواهند داشت . در اين پروتكل انتقال داده به صورت جرياني انجام مي گيرد و بيشترين اعوجاج را در ورودي مي پذيرد. اثر نويز در انتقال جرياني كمتراز ولتاژي است زيرا ميزان انرژي كه بتواند جرياني را توليد كند و بر سيگنال جريان اثر بگذارد ، از معادل ولتاژي بيشتر است .

بيشترين مسافت براي ارسال داده 1200 متر و رعايت حداقل طول (30m)براي سيم رابط اتصال كابل شبكه به گذرگاه الزاميست. استفاده فراگير از RS 485باعث ساخت كارتهاي كامپيوتري و انواع مبدل براي اين پروتكل شده است.

گذرگاه H1: اين استاندارد در IEC 1158-2تعريف شده است و با سرعت 31.25Mbps براي شبكه سازي سطوح بسيار اتوماسيون صنعتي يعني سنسور-محرك استفاده مي شود .سيم كشي بصورت زوج سيم بهم تابيده بطول 1900 متر و همچنين 32 دستگاه متصل ، كه از همان دو سيم تغذيه مي شود ، پياده سازي مي شوند. در صورتي كه حفاظت و اطمينان واقعي مورد نياز باشد، استاندارد، استفاده از4 دستگاه متصل به شبكه رامجاز مي داند. امروزه اين پروتكل در ميان استانداردهاي گذرگاههاي صنعتي جايگاهي ويژه پيدا كرده است.

گذرگاه H2: گذرگاهي با سرعت بالا (حدود 100Mbps)است براي ايجاد شبكه در لايه مياني شبكه هاي صنعتي نظير لايه سلول مناسب است.

Highway Addressable Remote Transducer): HART ) يك پروتكل ارتباطي كه به صورت چشمگيري در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.HART از يك فركانس سطح پايين سينوسي براي انتقال داده ديجيتال به مقصد استفاده مي كند.

اين فركانس براي صفر و يك منطقي 1200Hzو2200Hzاست سرعت انتقال داده در ان به 1200bps محدود مي شود كه ضعف عمده اين پروتكل ارتباطي است. مزاياي اين پروتكل عملكرد چند انشعابي، انتقال روي دو رشته سيم، كاركرد مناسب در محيطهاي پر نويز و قابليت برقراري ارتباط بين تجهيزات توليد كنندگان مختلف (Interoperability) مي باشد.

4-2 معرفي واسطهاي انتقال و عوامل موثر در انتخاب:

منظور از واسط انتقال ، نوعي اتصال فيزيكي ميان ايستگاهاي شبكه است كه به واسطه ان پيغام ها ميان دو يا چند استگاه ردو بدل مي شوند. معروف ترين واسطهاي انتقال در شبكه ها ، كابل كواكسيال، زوج سيم بهم تابيده و فيبرنوري مي باشند كه در ادامه خلاصه اي از ويژگيهاي انها بيان خواهد شد. واسطهايي همچون گيرنده هاي راديويي و مادون قرمز و همچنين خطوط انتقال تلفن و ماهواره ها نيز در برخي مواقع مورد استفاده قرار مي گيرند.

1. كابل كواكسيال: اين خط انتقال از يك هادي استوانه اي پر شده از دي الكتريك و يك هادي مركزي تشكيل شده است. اين واسط انتقال فيزيكي معمولا در اشكال 50،75،91 اهم توليد مي شوند. كه درشبكه هاي 10Mbpsو 100Mbps بخوبي قابل استفاده هستند.براي مثال شبكه هاي محلي 10 base 5،10 base 2، 10 base T به ترتيب در فواصل 500، 200 و100متر مورد استفاده قرار مي گيرند.نويز پذيري كابل كواكسيال در مقايسه با انواع مسي ( نظير زوج سيم بهم تابيده) كمتر است. زيرا روكش مناسب تري براي آن استفاده مي شود. بنابراين جهت انتقال در فواصل نسبتا طولاني نيز استفاده مي شوند.

اين كابلها علاوه بر استفاده عمومي در انتقال ديجيتال شبكه هاي محلي (LAN) كه انرا base bandگويند در ارسال داده هاي آنالوگ آنتن تلويزيون نيز بكار گرفته مي شود.اين نوع انتقال در اصطلاح broad bandناميده مي شود.

2.زوج سيم بهم تابيده: همچنان كه از نام آن پيداست از بهم تابيدن دو هسته مسي عايق دار تشكيل شده است و در نوع روكش دار يا STP و بدون روكش يا UTPتوليد مي شود.درنوع روكش دار، برروي سيم هاي تابيده يك عايق مخصوص پيچيده مي شود كه در نوع بدون روكش تنها به يك روكش از جنس PTC اكتفا شده است.ETA/TIA پنج استاندارد را براي زوج سيم بهم تابيده بدون روكش پيشنهاد مي كند كه عبارتند از:cotegory1 تا cotegory5. نوع اول براي خطوط تلفن در دو رشته ،پيشنهاد و استاندارد شده است. نوع دوم به منظور انتقال داده در سرعت 4Mbps توسط جهار زوج سيم و نوع سوم تا سرعت 10Mbps قدرت انتقال داده را دارد و گاهي در شبكه هاي ATM بكار مي رود.

3.فيبر نوري :انتقال در خطوط فيبر نوري به روش تابش امواج نوري ميان آئينه هاي موجود در فيبر صورت مي گيرد. واضح است كه براي اتصال فيبر به دستگاههاي الكتريكي در ابتدا و انتهاي آن ، مبدل سيگنال الكتريكي به امواج نوري و يا بر عكس آن استفاده مي شودآنچه از ماهيت اين واسط فيزيكي مشخص مي گردد اين است كه تلفات انرژي در اين خطوط بسيار كم است در نتيجه بدون استفاده ازتكرار كننده امكان انتقال تا مسافت طولاني (حدود 10 كيلو متر) وجود دارد. نويز الكترو مغناطيسي بر اين خط بي اثر است و ليكن بيش ازساير خطوط انتقال نياز به محافظت فيزيكي دارد و اسيب پذيري آن بالاتر است. طراحي و پياده سازي شبكه با استفاده از اين خطوط به نسبت گرانتر وپيچيده تر از سا ير واسط هاي انتقال است و نكته قابل توجه در مورد فيبر نوري اين است كه به دليل عدم بروز خطا بر اثرتداخل امواج الكترو مغناطيسي،پروتكل هاي لايه پيوند در اين نوع شبكه ها مي تواند بسيار ساده باشد.

همچنين امكان شنود در آن دشواراست و بهمين دليل كاربرد نظامي دارد.

 

 

 

[TABLE=class: h1, align: center]

[TR]

[TD]پارامترهاي موثر[/TD]

[TD]زوج سيم بهم تابيده[/TD]

[TD]كابل كواكسيال[/TD]

[TD]فيبر نوري[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]قيمت[/TD]

[TD]عالي[/TD]

[TD]خوب[/TD]

[TD]ضعيف[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]سرعت انتقال[/TD]

[TD]خوب[/TD]

[TD]خوب[/TD]

[TD]عالي[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]سادگي نصب [/TD]

[TD]خوب[/TD]

[TD]عالي[/TD]

[TD]ضعيف[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

عوامل موثردر انتخاب واسط انتقال:

 

در انتخاب واسط انتقال موارد زير حائز اهميت هستند:

1)ميزان نويز پذيري خط انتقال

2)تلفات خط: تلفات ACناشي از اثر پوستي و تلفات دي الكتريك و همچنين تلفات DCناشي ازهدايت خط و نيز تلفات ناشي از نشتي جريان و ولتاژ خط بدليل وجودخازن وسلف توزيع يافته در طول خط را گويند.در كابلها باكيفيت بالا تلفات هدايتي و دي الكتريك در مرتبه هم قرار مي گيرند.

3)هزينه هاي ساخت و نگهداري خط انتقال

4)سادگي

5)پهناي باند خط انتقال با سرعت انتقال داده

6)پشتيباني ازپيشرفت فناوري

5-2 پروتكل ها و استانداردها:

با نگاه كردن به مدل هفت لايه اي ISO، مي توانيد ببينيد كه نرم افزارها و استانداردهاي بسيار زيادي براي انجام اين امور به كار گرفته شده اند.

در واقع بحث ايجاد استاندارد ها و قوانين، بحث بسيار وسيع و گسترده اي است،زيرا تقريبا هر گروه و سازماني كه به شكلي در ارتباط با اين مسائل فعاليت مي كند، سعي كرده تا روشي بر مبناي روتين ها ي كاري متداول خود ارائه دهد كه نهايتا به تعريف استانداردهاي مختلف و متفاوتي انجاميده است.

اما در سال هاي اخير بحث در مورد مدل هاي استاندارد ارائه شده توسط سازمان هاي معتبري چون ISOياInternational Standard Organization وهمچنين موسسه ديگري به نام CCITTيا

Consultative Committee On International telegraphy and telephony

بسيار جدي شده و مدل هاي قابل قبول اين سازمانها به صورت وسيعي مورد استفاده قرار مي گيرند،در اينجا به شرح مختصري در مورد چند پروتكل مهم خواهيم پرداخت.

استاندارد هاي اترنت (IEEE 802, (Ethernet

در سا ل هاي اخير گرو هي از توليد كنندگان و فروشندگان تجهيزات الكترونيكي شبكه تصميم گرفتند تا استاندارد هاي خاصي را براي شبكه محلي LAN تصويب كرده و ثبت كنند، اين گروه از شركتها نظير DEC,Intel,Xerox تشكيل شده بود و استاندارد توليد شده براي LANبه نام Ethernet،نام گذاري شد.

Ethernet پس از آن به صورت گسترده موردا ستفاده عمومي قرار گرفت تا اينكه سازمان IEEE بر آن شد تا انجمني براي مطالعه و بررسي سيستمهاي Ethernet وارائه قوانين و پرو تكل هاي جديد در اين زمينه تشكيل دهد و نام اين انجمن راIEEE 802 قرار دادند.

قوانين ارايه شده توسط اين سازمان ها اغلب بر لايه هاي ديتالينك و فيزيكي اعمال مي شود و Ethernetكاربران زيادي در سطح جهان دارد.

 پروتكل MAP :

در سال هاي 1980 شركت جنرال موتورز(GM)طي يك بررسي طو لاني يكي از بزرگترين مشكلات سيستم خود را نداشتن ارتباط مناسب بين ابزار ها،

ماشين ها وقطعات مختلف در كارخانه عنوان كرد و جهت رفع اين مشكل برآن شد تا پروتكلي را بين قسمت هاي مختلف بر قرار سازد و مشكل ارتباطي خود را بدين ترتيب حل كند.

نام اين پرو تكلMAP است كه جهت بر قراري ارتباط بين سيستم هاي كنترل وPLCهاي مختلف سا خت شركت هاي متفاوت بكار مي رود و به اين سيستم ها اجازه مي دهد كه با يگديگر صحبت كنند.

MAPپس از آن بسيار مورد توجه قرار گرفت و نسخه هاي جديد آن مثل:

MAP2.0 MAP2.1, MAP 3.0 نيز به بازار آمدند و پروتكل MAPدر واقع بنيانگذار شبكه هاي محلي صنعتي بودكه امروزه در كارخانجات مورد استفاده قرار مي گيرد.

پروتكل Technical Office Protocol) TOP)

در سالهاي بعداز ابداع پروتكل MAP شركتهاي ديگري در مورد آن نظر دادندو به بحث و توليد استاندارد هاي جديد براي آن پرداختند، از جمله اين شركتها مي توان به شركت هواپيما سازي بوئينگ اشاره كرده كه به دنبال را ه حلي مناسب جهت ارتباط كامپيوتر هاي دفتر طراحي كه مشغول طراحي هواپيما بودند،مي گشت و از آنجايي كه اين ارتباط بين نرم افزا هاي طراحي مثل CADDيا CAM برقرار مي شد و نوع كار ،كاملا دفتري است اين پرو تكل به نام TOPو يا Technical Office protocolشناخته شد.

پروتكل Transmission Control Protocol Internet) ,TCP/IP)

TCP/IP يكي ديگر از استانداردهاي شبكه است كه در حين مطالعه و بررسي شبكه هاي صنعتي در كارخانه ها با آن مواجه خواهيد شد ،اين پروتكل براي لايه هاي 3و4 از مدلISOطراحي شده است.

TCP عمدتا براي لايه انتقال ياTransport طراحي شده و پروتكل Internetبراي لايه شبكه يا Network layer طراحي شده است.بنابراين هر دو آنها به تجهيزات مختلف از سازندگان متفاوت اجازه بر قراري ارتباط وتبادل اطلاعات را مي دهد. اين سري از پروتكلها توسط DODيا Department of Defense طراحي و ارائه شده است.

پروتكل System Network Architecture) SNA) :

شركتIBM جهت پشتيباني از محصولات خود كه فروش بسيار خوبي نيز دارد،در سالهاي گذشته اقدام به طراح و ابداع گروهي از استاندارد ها وپروتكل ها نمود.پروتكل SNA تمام رويه هاي استاندارد مدل ISOرا بجز لايه فيزيكي در بر مي گيرد.

پروتكل Manufacturing Message Specification )MMS):

اين پروتكل نيز يك پروتكل استاندارد هفت لايه ايي بر اساس مدل ISOاست كه براي برقراري ارتباط بين دستگاههاي مختلف در شبكه هاي شبيه بهم بكار گرفته مي شود. از انجايي كه سيستمهاي مختلف داراي امكانات و ابزار مختلف و گوناگون هستندبراحتي نمي توانند با يكديگر ارتباط برقرار كنند.پروتكل MMSبراي رفع اين اشكال و پر كردن خلأ موجود در سيستم ارتباطي كارخانه هاابداع كردند كه براحتي مي تواندانتظارات فوق را برآورده سازد.

استانداردField bus :

همزمان با اتفاقات فوق و پيشرفت هاي چشمگير صنعت ارتباطات در آمريكا،در اروپانيز صنعت ارتباطات دچار تغيير و تحول اساسي شد و سيستمهاي مشابه سيستمهاي آمريكايي در اروپا به بازار آمدند.

استانداردهاي اروپا از يك سيستم بنام فيلدباس استفاده مي كنند كه بسيار شبيه به مدل هفت لايهISO است و از يك مدل استاندارد پنج لايه اي جهت انجام امور استفاده مي كند.

اين استاندارد با تركيب لايه هاي فيزيكي و ديتالينك به استاندارد هاي ديگري به نام

DINV 19245 TI.DINكه گروهي از استانداردهاي آلماني هستند.

مدل هفت لايه ايي به شش لايه اي و سپس با تركيب لايه هايSession،Presentationو همچنين قسمت انتهايي لايه Application به يك لايه تحت عنوان APمدل خود را تكميل كرده و شروع به كار مي كند.

استاندارد Profibus:

يك استاندارد براي شبكه هاي صنعتي و ارتباط بين شبكه ها است كه توسط شركت زيمنس در اروپا طراحي شد و تحت استاندارد فيلد باس به ثبت رسيد .

شركت زيمنس در سالهاي اخير تعدادي از سيستمهاي كنترل شركتهاي آمريكايي مثلTexas Instrumentرا خريداري كرد و سعي در برقراري ارتباط بين سيستمهاي خود و نمونه هاي آمريكايي داشت و از آنجايي كه نيرو و دانش فني بسيار خوبي براي انجام طراحي در زمينه سخت افزار و نرم افزار در اختيار داشت اقدام به ارائه استانداردجديديبه نام Profibus نمود.

[.sOuDeH. 16059]

فصل سوم - كنترل كننده هاي برنامه پذيرProgrammable Logic Controller) PLC)

 

 

 

1-3 مقدمه

PLCاز عبارت Programmable Logic Controller به معناي كنترل كننده قابل برنامه ريزي گرفته شده است.PLC كنترل كننده اي است نرم افزاري كه در قسمت ورودي، اطلاعات را بصورت باينري دريافت و آنها را طبق برنامه اي كه در حافظه اش ذخيره شده پردازش مي نمايد و نتيجه عمليات را نيز از قسمت خروجي به صورت فرمانهايي به گيرنده ها و اجرا كننده هاي فرمان ، ارسال مي كند.

وظيفه PLCقبلا بر عهده مدارهاي فرمان رله اي بود كه استفاده ازآنها در محيط هاي صنعتي جديد منسوخ گرديده است.اولين اشكالي كه در اين مدارها ظاهر مي شودآن است كه با افزايش تعداد رله ها حجم و وزن مدار فرمان بسيار بزرگ شده، همچنين موجب افزايش قيمت آن مي گردد . براي رفع اين اشكال مدارهاي فرمان الكترونيكي ساخته شد ، ولي با وجود اين هنگامي كه تغييري در روند يا عملكرد ماشين صورت مي گيرد لازم است تغييرات بسياري در سخت افزار سيستم كنترل داده شود .

با استفاده از PLC تغيير در روند يا عملكرد ماشين به آساني صورت مي پذيرد، زيرا ديگر لازم نيست سيم كشي ها و سخت افزار سيستم كنترل تغيير كند و تنها كافي است چند سطر برنامه نوشت و به PLCارسال كرد تا كنترل مورد نظر تحقق يابد.

PLC ها سخت افزاري شبيه كامپيوتر دارند، البته با ويژگيهاي خاصي كه مناسب كنترل صنعتي است:

• در مقابل نويز حفاظت شده اند

• ساختار مدولار دارند كه تعويض بخشهاي مختلف آنرا ساده مي سازد

• اتصالات ورودي- خروجي وسطوح سيگنال استاندارد دارند

• زبان برنامه نويسي آنها ساده و سطح بالاست

• تغيير برنامه در هنگام كارآسان است.

2-3 مقايسه سيستمهاي كنترلي مختلف

به طور كلي چهار سيستم كنترلي وجود دارد:

1.سيستمهاي رله اي از قديمي ترين سيستم كنترلي هستند. در اين سيستمها كليه عمليات كنترلي با استفاده از رله ها انجام مي پذيرد.

2.سيستمهاي كنترلي مبني بر مدارهاي منطقي. در اين سيستم ها از دروازه هاي منطقي و تراشه هاي كوچك براي پياده سازي عمليات منطقي استفاده مي شود.

3.كنترل با كامپيو تر شخصي

4.كنترل مبني بر PLC.

در جدول زير انواع سيستمهاي كنترل كننده از جنبه هاي مختلف مقايه شده اند

 

 

برخي از معايب يا توجهات خاص در بكارگيري سيستمهاي PLC

1.كاربردهايي با برنامه ثابت: شايد استفاده از PLC كه قابليت هاي برنامه ريزي زيادي دارد،در صورت نياز نداشتن به آنهامقرون بصرفه نباشد مانند كنترل كننده هاي غلتكي/دنبالگر.برخي از سازندگان تجهيزات براي كاهش هزينه ها، هنوز از سيستمهاي غلتكي مكانيكي استفاده مي كنند.تغيير كارها غلتك ها بندرت تغيير مي كند بنابراين قابليت تغيير برنامه ريزي PLCها در اينجا جندان اهميت ندارد

2.ملاحظات محل كار: برخي پارامترهاي محيط مانند: دماي بالا،ارتعاشات، تداخلات الكترو مغناطيسي ، عواملي هستند كه كاربرد PLCها را محدود مي كنند.

3.عملكرد ايمن در برابر اشتباه : در سيستمهاي رله اي فشردن كليد توقف، برق مدار را قطع مي كند و همينطور قطع منبع برق، باعث خاموش شدن سيستم مي شود. بعلاوه سيستهاي رله اي هنگام وصل مجدد برق بطور خودكار روشن نمي شوند. البته اين موضوع از طريق برنامه نويسي در مورد PLC نيز قابل اعمال است. اما در بعضي از برنامه هاي PLCممكن است براي متوقف ساختن يك وسيله نياز به اعمال ولتاژ ورودي باشد ، اين گونه سيستمهادر مقابل اشتباه ايمن نيستندالبته اين نقص با افزودن رله هاي حفاظتي به سيستم PLC رفع مي شود.

4.عملكرد مدار ثابت: اگر سيستم مورد نظر هرگز نياز به تغيير نداشته باشد ، يك سيستم كنترل ثابت (مانند غلتك مكانيكي) هزينه كمتري نسبت به PLCخواهد داشت. PLC ها در جاييكه بطور دوره ايي در عمليات تغيير ايجاد مي شود، از كارايي بيشتري بر خوردارند.

برخي ازشركت هاي سازنده PLC:

Siemens, AEG, Smar, ABB, Allen Bradly, Bosch, General Electric, Mitsubishi…

3-3 سخت افزار PLC

قسمتهاي تشكيل دهنده يك سيستم PLCبه صورت زير تقسيم مي شود(شكل1-3)

• واحد منبع تغذيه PS(Power Supply)

• واحد پردازش مركزي CPU

• حافظه

• ماژولهاي ورودي

• ماژولهاي خروجي

• ماژولهاي تغيير شكل سيگنال

• ماژول ارتباط پروسسوري (Communication Processor(CP))

• ماژول رابط (Interface Module(IM))

• بدنه و قفسه ها (Racks and Chassis)

 

شكل 1-3:قسمتهاي يك PLC

ماژول منبع تغذيه(PS):منبع تغذيه ولتاژهاي مورد نياز PLC را تامين مي كند. اين منبع معمولا از ولتاژهاي 24Vdc و 110Vacيا 220Vac،ولتاژ 5Vdc را ايجاد مي كند. ماكزيمم جريان قابل دسترسي منطبق با تعداد ماژولها ي خروجي مصرفي است. جهت دستيابي به راندمان بالا معمولا از منابع تغذيه سوئيچينگ استفاده مي شود. براي تغذيه رله ها و محركها (Actuator) معمولا از ولتاژ 24Vdc بصورت مستقيم و بدون هيچ كارت ارتباطي استفاده مي شود.

واحد پردازش مركزي يا CPU:وظيفه اين واحد، دريافت اطلاعات از وروديها، پردازش اين اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمانهايي است كه به صورت فعال يا غير فعال كردن خروجي ها ظاهر مي شود.

حافظه:در حالت كلي در PLC ها دو نوع حافظه وجود دارد:

• حافظه موقت يا RAM: كه محل نگهداري فلگ ها، تايمر ها، شمارنده ها و برنامه هاي كاربردي كاربر است.

• حافظه دائم (EEPROM , EPROM): كه جهت نگهداري و ذخيره هميشگي برنامه كاربر استفاده مي شود.

در مواردي از RAM هاي CMOSكه باتري پشتيبان دارند استفاده مي شود،بدين ترتيب در صورت قطع برق اطلاعات انها حفظ مي گردد.

ماژولهاي ورودي:ورودي هايي كه در سيستم هاي PLC مورد استفاده قرار مي گيرند در حالت كلي به صورت زير مي باشند:

الف) وروديهاي ديجيتال(Digital Input)

ب) ورودي هاي آنالوگ(Analog Input)

الف) وروديهاي ديجيتال:اين وروديها معمولا بصورت سيگنالهاي 0يا 24ولتdc مي باشند . گاهي براي پردازش به تغيير سطح ولتاژ نياز دارند. معمولا براي انجام اين عمل ماژولهايي خاص در PLC در نظر گرفته مي شود.

جهت حفاظت مدارهاي داخلي PLC از خطرات ناشي از اشكالات بوجود آمده در مدار يا براي جلوگيري از ورود نويزهاي موجود در محيط هاي صنعتي،ارتباط وروديها با مدارت داخلي PLC توسط كوپل كننده هاي نوري انجام مي گيرد. بدليل ايزوله شدن ورودي ها از بقيه اجزاي مدار داخلي PLC ، هرگونه اتصال كوتاه و يا اضافه ولتاژ نمي تواندآسيبي به واحدهاي داخلي PLC وارد آ ورد.

ب)ورودي هاي آنالوگ:اين گونه وروديها در حالت استاندارد

4-20 mA و يا 0-20mA بوده ،مستقيما به ماژول آنا لوگ متصل مي شوند. ماژولهاي ورودي آنالوگ، سيگنالهاي دريافتي پيوسته رابه مقادير ديجيتال تبديل نموده و سپس مقادير ديجيتال حاصل توسطCPU پردازش مي شود.

ماژولهاي خروجي: خروجي هاي استفاده شده در PLCها به دو صورت زيرمي باشند:

الف)خروجيهاي ديجيتال:اين فرمانهاي خروجي به صورت سيگنالهاي 0 تا 24 ولت DCبوده كه در خروجي ظاهر مي شوند. بنابراين هر خروجي از لحاظ منطقي مي تواند مقادير “0” يا “1” را داشته باشد. اين سيگنالها به تقويت كننده هاي قدرت يا مبدل هاي الكتريكي ارسال مي شوند تا مثلا ماشين را به حركت در آ ورند يا آنرا از حركت باز دارند.

ب) خروجيهاي آنالوگ: سطوح ولتاژ و جريان استاندارد خروجي مي تواند يكي از مقادير ،4-20mA ، 0- 20mA باشد. معمولا ماژولهاي خروجي آنالوگ، مقادير ديجيتال پردازش شده توسط CPU را به سيگنالهاي آنالوگ مورد نياز جهت پروسه تحت كنترل تبديل مي نمايند. اين خروجي ها بوسيله واحدي به نام Isolator از ساير قسمتهاي داخلي PLC ايزوله مي شوند. بدين ترتيب مدارت حساس داخلي PLC از خطرات ناشي از امكان بروز اتصالات نا خواسته خارجي محافظت مي گردند.

ماژول تغييرشكل سيگنال: در مواقعي كه سيگنالهاي موجود درمحدوده استانداردنباشند،لازم است از يك ماژول تغيير شكل دهنده استفاده شودتا محدوده سيگنالها را تغيير داده و به محدوده استاندارد تبديل كند.

ماژول ارتباط پروسسوري (CP): اين ماژول ارتباط بين CPU مركزي را با CPU هاي جانبي بر قرار مي سازد.

ماژول رابط (IM): در صورت نياز به اضافه نمودن واحد هاي ديگرورودي و خروجي به PLC يا جهت اتصال پانل اپراتوري و پروگرامر،به PLCاز اين ماژول ارتباطي استفاده مي شود. در صورتي كه چندين PLC بصورت شبكه به يكديگر متصل شوند. از واحد IM جهت ارتباط آنها استفاده مي شود.

ورودي/خروجي دور دست و ارتباط با آنها:

هنگاميكه تعداد زيادي ورودي /خروجي در فاصله اي دوروجود دارد،اتصال مستقيم آنها به PLC نياز به اتصالات زيادي دارد كه مقرون به صرفه نيست،دراين مواقع يك واحدI/O در مكان لازم نصب مي شودوبايك زوج سيم به PLC متصل مي گردد. واحد I/O اطلاعات مربوط به ورودي/خروجي ها را از طريق اتصال سريال به PLC ارسال و دريافت مي كند. باتوجه به اينكه واحد I/O تا PLCممكن است به چند هزار متر برسد،صرفه جويي زيادي در هزينه ها مي شود. در سيستمهاي بزرگ ممكن است چندين PLC وجودداشته باشد كه همگي تحت نظارت يك PLC اصلي عمل مي كنند.معمولا برنامه كنترلي در PLC اصلي اجرا مي شود و PLCهاي ديگر فقط وظيفه ارتباط با واحد هاي I/Oرا به عهده دارند.

[.sOuDeH. 16059]

4-3 انواع محيطهاي برنامه نويسي و امكانات نرم افزاري در PLC

امروزه استاندارد هاي خاص بيت المللي مثل IEC 1131 براي برنامه نويسي و كار با PLC ها وجود دارد كه اغلب شركت هاي سازنده و طراح PLC كه معمولا نرم افزارهاي مخصوص PLC هاي خودشان را توليد مي كنند. از اين روشهاي استاندارد شده پيروي مي كنند و فقط تفاوتهاي جزيي در نرم افزارهاي آنها به چشم مي خورد كه اكثر آنها هم در اثر تفاوتهاي سخت افزاري سيستم هاي طراحي شده بوجود مي آيند.اما در اين بخش زبانها و محيطهاي مختلف برنامه نويسي به طور مختصر و خلاصه به طور عمومي و كلي مورد بررسي قرار مي گيرد تا در برخورد هاي احتمالي با اين محيطها دچارسردرگمي نشويد.

بطور كلي مي توان زبانها برنامه نويس PLCرا به پنج دسته تقسيم كرد:

• زبان SFC يا Sequential Function Chart Language

• زبان FBD يا Function Block Diagram Language

• زبان LD يا Ladder Diagram Language

• زبان ST يا Structured Text Language

• زبان IL يا Instruction List Language

پنج زبان فوق زبان هاي استاندارد و شناخته شده PLC ها هستند و كمپاني هاي سازنده سخت افزار و نرم افزار PLCها با وجود اختلاف هاي جزيي كه ممكن است در نام يا ظاهر نرم افزار هايشان با نمونه هاي اصلي و جود داشته باشد، همگي بر اساس همين روشهاي استاندارد شده حركت مي كنند.

زبان SFC:

در اين محيط نيز مانند ديگر محيط هاي برنامه نويسي،ابزار هايي وجود دارند كه در ابتدا بايد با آنها آشنا شد، مهمترين ابزارهاي موجود Transition,Initialstep,Step است.

هر Step معرف مرحله اي از روتين كنترلي است كه در آن اتفاقاتي، براساس تعاريف نويسنده برنامه، به وقوع خواهد پيوست، هر step بايك مربع نشان داده مي شود وشماره اي كه معرف مرحله اي خاص از برنامه است داخل آن نوشته مي شود.

تعريف عمليات آن مرحله نيز در درون يك مستطيل نوشته مي شود كه به مربع اصلي متصل شده و هر دوي اينها معرف يك مرحله از برنامه هستند.

 

در هر زمان و هر سيكل اسكن برنامه،step مربوط به آن فعال خواهد شد، براي نشان دادن step هاي فعال و غير فعال از يك دايره كوچك استفاده مي شود كه درون مربع اصلي

 

 

شكل2-4:نمايش step فعال و غير فعال

Stepقرار مي گيرد و در زمان اجراي برنامه مشخص مي كند كه كدام step فعال و كدام غير فعال است.

 

بديهي است كه دستورات مربوط به step فعال در همان لحظه در حال اجرا شدن است و step غير فعال، كاري انجام نمي دهد.براي نشان دادن وضعيت ابتدايي و در شروع برنامه SFC مي بايست از يك Initial step استفاده كنيم كه نشان دهنده شروع و مرحله آغاز برنامه است ، نماد گرافيكي step Initial يك مربع دو خطي است.

بديهي است كه هر برنامه SFC بايد فقط داراي يك Initial step باشد كه با شروع اجراي،به شكل فعال در خواهد آمد. شكل3-4: Initial step در شروع برنامه

مورد بعدي كه بايد در مورد آن صحبت شود Transition است كه بصورت يك خط افقي مسير ارتباطي بين دو step را قطع مي كند. شماره مربوط آن در گوشه پايين و سمت راست آن نوشته مي شودو توضيحات لازم را در قسمت راست مي نويسندمانند شكل 4-4 .

لازم بذكر است كه قسمت توضيحات يك بخش آزاد و مجزا است و به هيچ عنوان قسمتي از برنامه محسوب نمي شود و تنها جنبه توضيح براي درك بهتر را دارد.

شكل4-4:Transition

 

Transitionها در هر مرحله از برنامه شروط موجود در قسمتهاي قبلي خود را مي بينند و بر آورده شدن و عدم برآورده شدن آن شروط بررسي را مي كنند و بديهي است كه اگر شروط هر مرحله برآورده شده باشد.Transition ها مربوطه اجازه عبور از آن مرحله را صادر مي كند و بالعكس. نكته مهم ديگر خطوط جهت دار براي اتصال stepها و Transition ها و همچنين پرسشهاي جهت دار است. به شكل 5-4 توجه كنيد. خطوط جهت دار در بين stepهاو Transitionها داراي فلش نشان دهنده جهت نيستند. اما براي بر قراري ارتباط سراسري از خارج حلقه شكل اتصال فرق مي كند. براي نشان دادن پرش ازيك Transition به يك step داخل برنامه از يك علامت فلش بهمراه شماره stepمقصد استفاده مي شود. بايد توجه داشت كه اين روش فقط براي پرش ازيك Transition به يك step است نه برعكس.

 

 

شكل5-4:پرش از يكtransition به يك step

پيش از پرداختن به حالتهاي و اشكال مختلف SFC مي بايست به دو قانون مهم توجه كرد. اين قوانين بسيار مهم هستند و همواره بايد در هنگام برنامه نويسي به آنها توجه كرد:

 

1.هرگز و در هيچ قسمتي از برنامه دو step بدون وجود Transition، پشت سر هم قرار نمي گيرند.

2. هرگز و در هيچ قسمت از برنامه دو Transition بدون وجود step پشت سر هم قرار نمي گيرند.

 

 

شكل 6-4: انواع اتصالات بين step و transition

 

شكل 7-4:نمايش چگونگي پرسش ازيكtransition به يك step اين دو شكل از نظر عملكرد كاملا يكسان هستند

 

حالتهاي مختلف براي اتصال step و Transition

 

انشعاب تكي و دوتايي: يك stepمي تواند بعداز Transition مربوطه به چند step ديگر متصل شود. اگر اتصال آنها از نوع تكي و ساده باشد، كه بايك خط نشان داده مي شود. بعد از ورود به انشعاب تنها آن step كه بايد فعال شود، فعال شده و برنامه ادامه پيدا مي كند اما اگر اتصال از نوع دوتايي باشد (كه با خطوط دوتايي نشان داده مي شود) پس از ورود به انشعاب ، تمام step ها به شكل موازي فعال خواهند شد.(شكل8-4 ،الف وب)

ماكرو step: ماكرو step يك نماد گرافيكي است كه در بدنه برنامه SFC به كار مي رود و معرف يك برنامه SFC ديگر است كه در انجا فراخواني مي شود. توجه كنيد كه ProcessX يك برنامه SFC ديگراست كه در قسمتي ديگر طراحي و تعريف شده ، داخل هر كدام از STEPها بايد برنامه مورد نظر را با استفاده از روشهاي مناسب برنامه نويسي در SFC نوشت و پس از آن آزمايش ، آن را اجرا كرد.

شكل8-4 الف:انشعاب تكي ياSingle Divergence وSingle Convergence

زبان FBD:

 

ابزار هاي موجود در محيط برنامه سازي FBD، كمي با زبانهاي ديگر متفاوت است و مي بايست برخورد متفاوتي با آنها داشت.در اين محيط بسياري از ابزار هاي واقعي به صورت بلاك هاي مختلف در اختيار هستند و فقط كافي است آنها را به شكل مورد نظر كنار هم و در غالب يك پروژه ، قرار داد و از سمت مناسب ، ورودي و خروجيهايشان را بهم متصل كرده و آزمايش كنيم در اينجا به چند بلوك نرم افزاري مهم كه كاربرد وسيع تري نسبت به بقيه دارند اشاره مي شود. اما پيش از آن ذكر چند نكته در مورد كار با اين بلك ها ضروري به نظر مي رسد:

شكل بلاك ها: كليه بلاكها در FBD معرف يك عمليات خاص بين ورودي و خروجي هايشان هستند به شكل زير توجه شود.

 

شكل 9-4 : شكل كلي بلاك ها در FBD

متغير هاي ورودي در برنامه. به پايه هاي ورودي بلاك و متغير هاي خروجي به پايه هاي خروجي بلاك متصل مي شوند و بدين ترتيب مي توان با استفاده از بلاكهاي استاندارد منطقي و امكانات ديگري كه FBD در اختيار مي گذارد روتين كنترلي مورد نظر را پياده سازي كرد.

 

بلا كهايي كه FBD بعنوان ابزار در دسترس قرار مي دهد، متنوع هستند و از آن جمله مي توان به : فليپ فلاپهاي SR،RS،F-Trig،R-Trig شمارنده هاي CTU،CTD،-CTUDتايمرهاي TON،TOF،TPـسيگنال ژنراتور ياSIG GENـ انواع عملگرهاي منطقي مثل,OR,XOR,ADD،SUB و بسياري عملگرها و توابع ديگر اشاره كرد. به شكل زير توجه شود:

 

 

شكل 10-4: پرش در FBD

لازم بذكر است كه در محيط برنامه نويسي مي توان بسته به نياز خود توابع جديدي را تعريف و پياده سازي كرد كه در كتابخانه نرم افزاري نگهداري خواهد شد و مي توان در جاي مناسب از آن استفاده كرد.

 

 زبان LD:

اين زبان بسيار شبيه به دياگرام نردباني قديمي است و تغييرات آن نسبت به مدلهاي قديمي تر ، بسيار جزئي است و اگر به دياگرام نردباني علائمي مثل ورودي، كنتاكت و كويل آشنا باشيد براحتي مي توانيد با اين زبان كار كنيد،شكل 11-4 خلاصه ايي از علايم مورد استفاده در LD است.

شكل 11-4 :برخي از علايم مورد استفاده در LD

 

هر كنتاكت در اين روش به يك ورودي و هر كويل به يك متغيير خروجي نسبت داده مي شود.نحوه ارتباط بين ورودي ها و خروجي ها ، دقيقا شبيه به دياگرام نردباني رله اي است ، اما حالتهاي استاندارتري هم براي اين ارتباطات وجود دارد كه در شكل زيرچند مورد از آنها را بررسي مي كنيم:

 

 

شكل12-4: چند مدل استاندارد در LD



 

زبان ST:

 

اين زبان شبيه زبانهاي متداول برنامه نويسي مثل پاسكال است و از دستورات حلقه ، شرط و امكانات ديگرزبانهاي سطح پايين كمك مي گيرد.براي افرادي كه بانوع محيط ها ي برنامه نويسي متداول كار كرده اند استفاده از اين زبان راحت تر و مناسب تر است.بعضي از دستورالعمل هاي اين محيط عبارتنداز:

IF, THEN, ELSE, CASE, FOR, WHILE, REPEAT, RETURN

 زبان IL:

اين زبان نيز بي شباهت به زبان اسمبلي نبوده و آشنا بودن به اسمبلي در هنگام كار با اين محيط ، تا حدودي كمك خواهدكرد.بعضي از دستورالعمل هاي اين محيط عبارتند از:

LD, ST, CAL, JMP, RET.ADD, SUB, MUL

همانطور كه در ابتدا ي اين بخش ذكرشد هدف از عنوان كردن اين مطالب به هيچ وجه آموزش برنامه نويسي براي PLC ها نيست بلكه سعي شده تا در هنگام برخورد احتمالي با برنامه هاي PLC دستيابي به هدف كلي ممكن و ميسر باشد.

[.sOuDeH. 16059]

5-3 توابع كنترل پيوسته در PLC ها

در يك PLC با ورودي / خروجي آنالوگ ، پس از دريافت وروديها، عمليات رياضي مناسب روي آنها انجام مي شود و سپس خروجي هاي آنالوگ تعيين مي شوند. قابليت و سطح كنترل بستگي به سرعت و قابليت PLC در انجام عمليات رياضي دارد. دريك فرايند كنترلي ممكن است جملات تناسبي ،انتگرال و مشتق وجود داشته باشند. به عنوان مثال با انجام عمليات زير، كنترل با جمله تناسبي انجام مي شود :

1.مقدار ورودي سنسور را بخوان، مقدار اندازه گيري شده (MV)را با مقدار (SP) مقايسه كن و مقدار خطا (E)را به دست آور. E=SP-MV

2.خطا را در يك ضريب ثابت(بهره سيستم)KP ضرب كن.

3.نتيجه را به مبدل D/A ارسال كن و به مرحله 1 برگرد.

البته در يك كنترل پيوسته براي بهبود پارامترهايي نظير سرعت پاسخ، نوسان و خطاهاي ماندگار لازم است از جملات مشتق و انتگرال نيز استفاده شود. در PLCهايي كه امكان كنترل PID را دارند، معمولاالگوريتم كنترل در حافظه PLCوجود دارد و كاربر تنها ظرايب ورودي / خروجي را معين مي كند. اين الگوريتمها ممكن است به صورت زير برنامه هايي باشند كه در برنامه اصلي فراخواني شوند.البته پياده سازي كنترل PID با نرم افزار زمان زيادي را مي گيرد و سيكل اجراي برنامه را طولاني مي كند. در مواقعي كه طولاني شدن سيكل اجراي برنامه در روند كنترل اخلال ايجاد كند، كنترل PIDبه صورت سخت افزاري انجام مي شود.

ماژولهاي PID

با توجه به اينكه پياده سازي نرم افزاري زمان زيادي مي گيرد، سازنده هاي PLC ماژولهايي را مي سازند تا كنترل PID را به صورت سخت افزاري انجام دهند. اين ماژول ها ، ورودي/ خروجي آنالوگ دارند و يك پردازنده مستقل در آنها وجود دارد كه عمليات رياضي را انجام مي دهد.اين پردازنده موازي با پردازنده اصلي عمل مي كند و انجام كليه محاسبات PID را به عهده دارد، تنها لازم است پردازنده اصلي پارامترهاي كنترلي را به اين ماژول ارسال كند. ماژول PID پس از هرسيكل اجراي فرايند كنترل، اطلاعات وضعيت خود را در رجيستر هايي از فضاي I/O قرار مي دهد و پردازنده اصلي مي تواند آنها را خوانده و از عملكرد آن ماژول مطلع شود.

علاوه بر عمليات متداول در امر كنترل، معمولا لازم است نوعي پيش پردازش روي اطلاعات ورودي انجام شود،(مانند حذف نوسانات عددي و ناخواسته در اطلاعات ورودي) برخي از PLCها توابع خاصي را براي انجام اين كار دارند. به عنوان نمونه PLC سري GEM 80 از شركت GEM تابعي دارد كه يكنواخت سازي نمايي (مرتبه اول) روي ورودي انجام مي دهد.ثابت زماني اين تابع كه ANALAG(ANALOG LAG) نام دارد قابل برنامه ريزي است، البته استفاده از اين تابع اختياري است.

برنامه ريزي ماژولهاي PID

برنامه ريزي يك ماژول PID بستگي به نوع PLC دارد و ممكن است به استفاده از دياگرام نردباني يا واحد هاي برنامه ريزي خاص انجام شود. در دياگرام نردباني حلقه PID مانند يك تابع خاص تلقي مي شود كه پارامترهاي آن را كاربر تعيين مي كند، همانند يك تايمر كه زمان آنرا كاربر به آن وارد مي نمايد.

پانلهاي برنامه ريزي خاص معمولا منويي دارند كه پارامتر هاي لازم را از كاربر مي پرسد. پارامترهايي را كه مي توان انتخاب كرد عبارتند از : كنترل يك،دو يا سه جمله اي (PID,PI,P)،آدرس نقاط I/O به عنوان ورودي و خروجي، بهره ضرايب ، زمان انتگرال، زمان مشتق و سرعت نمونه برداري وغيره.

ماژول هاي PID معمولا حافظه اي دارند كه داده ها و اطلاعات وضعيت خود را در آن ذخيره مي كنند.پردازنده اصلي به اين داده ها دسترسي دارد و از آنها استفاده مي كند.

كاربرد ماژولهاي PID

الگوريتمهاي كنترلي كه در همه PLCها وجود دارد براي بيشتر كاربردها، كارايي و سرعت كافي را دارد، مثلا براي كنترل سرعت ، تنظيم فشارهيدروليك، كنترل دما، مديريت انرژي و غيره .

در بسياري از فرايندهاي كنترلي لازم است به تعداد زيادي ورودي /خروجي رسيدگي شود، معمولا در يك حلقه كنترلي با تغيير پارامترهاي لازم و بررسي كل فرايند ، پارامترهاي مطلوب جهت كنترل صحيح فرايند به دست مي آيد.

6-3 ارتباط در PLC ها

نياز مبادله اطلاعات بين PLC ها و ساير تجهيزات در يك كارخانه خودكار ، سبب شده است كه امكانات ارتباطي روي همه كنترل كننده ها نصب شود در PLC هاي كوچك سخت افزار و نرم افزارلازم در خود بدنه PLC نصب گردد و در PLC هاي بزرگ ، ماژول هاي ويژه اي جهت ارتباط وجود دارد.

باسهاي ارتباطي براي منظورهاي مختلفي استفاده مي شوند از جمله:

• نمايش داده ها و آلارم ها از طريق VDU يا چاپگر

• ذخيره داده ها در فايلهاي بايگاني(در يك كامپيو تر) تا براي بررسي كارايي فرايند و مديريت اطاعت استفاده شوند.

• ارسال پارامترهاي لازم از طريق اپراتور يا كنترل كننده ناظر به PLC ها

• تغيير برنامه PLCها از طريق كنترل كننده ناظر

• تغيير وضعيت نقاط I/O از طريق يك ترمينال راه دور

• اتصال PLC در يك سلسله مراتب كنترلي كه در آن PLC هاي متعددي وجو دارد.

شكل1-6: يك سيستم Redundant با خطوط دوبل اترنت و خطوط دوبل Remote I/O و منابع تغذيه دوبل روي هر Remote I/O

ارتباط سريال:

در PLC ها معمولا براي ارتباط با ساير قسمتها و ارسال و دريافت داده ها ، از خطوط سريال استفاده مي شود، جهت ارتباط سريال استاندارهايي وجود دارد كه مهمترين آن RS 232 ومشتق آن RS 422/423 است.

RS 232 استاندارد ارتباط سريال در فواصل كو تاه است كه براي ارتباط كامپيوتر با تجهيزات جانبي آن نظير چاپگر استفاده مي گردد. اين استاندارد، اتصالات الكتريكي و فيزيكي ،ارتباط بين سيگنالها و روند مبادله اطلاعات را تعريف مي كند. اتصال نوع Dبا 25پايه كاملا متداول است و روي همه كامپيوترها و PLCها نصب مي شود.RS 232 و 422 RS در ارسال يكسان هستند و تفاوت آنها در سطح ولتاژ و سرعت انتقال است.

در ارتباط سريال سه ويژگي وجود دارد كه بايد به آنها توجه كرد: اول سرعت انتقال،يعني تعداد بيت ارسالي در ثانيه و عرض پالس هر بيت. دوم سطح ولتاژهاي منطقي، يعني بيت 1و0 با چه ولتاژي نشان داده مي شود و سوم نحوه همزماني داده ها تا گيرنده بتواند داده ها را به طور صحيح دريافت كند.

فاصله انتقال

استاندارد RS 232 حداكثر طول 30 m را در سرعت 9600bps پيشنهاد مي كند، بخاطر اثر خازني سيمها طول بيشتر از اين مقرون بصرفه نيست. البته در سرعت هاي كمتربا استفاده از كابلهاي مناسب مي توان فاصله را بيشتر كرد.

در صورتي كه فواصل ارتباطي زياد باشد از استانداردهاي ديگر نظير RS 422 و حلقه جريان استفاده مي شود.

حلقه جريان20mA

در اين استاندارد براي ارسال داده ازيك مدار جريان 20 mA استفاده مي شود. اين روش مناسب محيطهاي نويزي و فواصل زياد است. مثلا در سرعت 9600bps مي توان تا فاصله 300m از اين استاندارد استفاده كرد.ارسال و دريافت اطلاعات از طريق يك زوج سيم صورت مي گيرد و معمولا جهت ايزولاسيون الكتريكي از تزويج كننده هاي نوري استفاده مي شود.لازم بذكر است كه اين استاندارد با استاندارد RS 232 انطباق ندارد و اتصال آنها به يكديگر نياز به مدار واسطه مناسب دارد. عيب حلقه جريان 20mA اين است كه براي آن استاندارد مشخصي وجود ارائه نشده است و مانند RS 232 خطوط كنترلي (Handshaking) ندارد.

RS 422/423

اين استاندارد بهبود يافته RS 232 است كه بعضي ازمزاياي حلقه جريان رانيز دارد.

RS 422 براي هرسيگنال دو سيم استفاده مي كند كه به صورت تفاضلي هستند و در نتيجه اطلاعات تا فواصل بيشتري قابل ارسال است.

معمولا هر PLC يك ارتباط RS 232 دارد كه اتصالات مربوط به RS 422 از آن مشتق شده است. براي فواصل كم از RS 232 و براي فواصل زياد ازRS422 استفاده مي شود.

شكل2-6: ارتباط PLC ها بايكديگرو با ادوات فيلد بااستفاده از پروتكل فيلد باس(FF)

 

ارتباط PLC ها-ماژول ها و برنامه ريزي

 

براي انجام هر ارتباط سريال لازم است پارامترهاي ارتباط مشخص شود. اين پارامترها عبارتنداز:

• قالب بندي داده ها ، شامل بيت شروع و خاتمه، توازن و تعداد بيت داده

اين انتخاب پارامترها ممكن است توسط كليد هايي بر روي سخت افزار PLC و يا توسط نرم افزار انجام شود.

هر PLC مجموعه دستوراتي جهت بر قراري ارتباط با ساير تجهيزات دارد.برنامه ريزي PLC جهت انجام ارتباط با استفاده از دياگرام نردباني و يا يك زبان سطح بالا صورت مي گيرد.

در اين برنامه ريزي به دو نكته بايد توجه نمود:

• نوع،محل و ميزان داده اي كه بايد ارسال شود.

• شروع ارتباط

معمولا بايد اتفاقي رخ دهد تا ارسال داده از جايي به جاي ديگر انجام شود اين اتفاق ممكن است داخلي باشد. مثلا عمل كردن يك كليد، يا اتفاق در جاي ديگر رخ دهد، مثلا PLC يا دستگاه ديگر تقاضاي مبادله اطلاعات نمايد.

دستگاه شروع كننده ارتباط ، با ارسال يك يا چند كاراكتر كنترلي تقاضاي خود را اعلان مي كند. اين كاراكترها بطور معمول كد اسكي هستند. جزئيات مربوط به ارتباط و انتقال داده بستگي به نوع و مدل PLC دارد.

ارتباط بين چندين PLC

وقتي چند PLCقرار است با يك منبع واحد ارتباط داشته باشند، مي توان از يك واحد جمع كننده استفاده كرد.هر PLC كه بخواهدبا PLC اصلي ارتباط برقرار كند، واحد جمع كننده اتصال بين آنها را بر قرار مي كند. البته در صورتي كه لازم باشد جندين ارتباط بين PLCها مختلف بطور همزمان بر قرار شود بهتر است از يك شبكه استفاده گردد. شبكه هاي محلي( (Local Area Network LAN يك را مناسب براي ارتباط بين چند PLC است.

شبكه هاي محلي (LAN)

در شبكه هاي محلي ،كامپيوتر ها و ادوات جانبي آنها در محدوده جغرافيايي مشخصي ( تا فواصل 10km) به هم متصل مي شوند. استفاده از شبكه نسبت به اتصال نقطه به نقطه مزايايي دارد از جمله:

• هر كاميپوتر به تمام داده ها و برنامه در شبكه دسترسي دارد.

• اتصال نقطه به نقطه از نظر هزينه سيم كشي مقرون به صرفه نيست.

• معماري شبكه طوري است كه اتصال كامپيوتر ها به هم انعطاف پذير است.

سرعت انتقال داده معمولا 10 Mbps است.پروتكل هاي متعددي براي شبكه هاي محلي وجود دارد كه اين پروتكل ها در فصل قبل توضيح داده شدند.

شكل 3-6:يك شبكه LAN ،با معماريي كه چندين پروتكل شبكه را پشتيباني مي كند

كنترل گسترده:

ارتباط بين كنترل كننده ها باعث مي شود كه يك PLC خاص ، نه تنها كنترل يك دستگاه بخصوص را به عهده داشته باشد. بلكه چندين ايستگاه در يك كارخانه بزرگ را كنترل نمايد. بدين ترتيب يك PLC مي تواند بخشي از ساختار كنترلي سلسله مراتبي باشد:در چنين سيستمي يك كنترل كننده هدايتگر، چندين PLC اي دستگاه هوشمندCNC را سر پرستي مي كند.

در حا ل حاضر براي اتوماسيون كامل كارخانه ها از كنترل سلسله مراتبي استفاده مي شود. براي ايجاد يك كارخانه تمام اتو ماتيك، سيستم ارتباطي و كنترلي وسيعي لازم است . كل داده هاي كارخانه در يك پايگاه داده مديريت جمع آوري مي گردد تا در اسرع وقت در اختيار مديران و برنامه ريزان قرار گيرد،بنابراين ايجاد استاندارد هاي مناسب جهت ارتباط امري ضروري است.

شكل4-6 : يك شبكه گسترده كه از پروتكل فيلد استفاده كرده است

 

[.sOuDeH. 16059]

فصل چهارم - سيستم هاي اتوماسيون APACS

 

 

 

1-5 مقدمه

بيشتر فرايندها شامل تركيبي ازفرايندهاي پيوسته(دما،فشار،فلو)وفرايندهاي گسسته(مدارهاي ديجيتال براي پمپها و شيرها)مي باشند.به طور مرسوم سيستمهاي كنترل توسعه يافته(DCS)جهت اداره كنترل پيوسته بسيار سودمند هستند و كنترل كننده هاي برنامه پذير(PLCs) براي كنترل گسسته ابزار مناسبي مي باشند.از اين رو دو انتخاب پيش رو خواهيم داشت: پيكربندي،يكپارچه سازي ونگهداري دوسيستم يا انتخاب يك نوع سيستم .

سيستم كنترلAPACS بر اين مشكل فايق آمده و امكانات و توانايي هاي DCSsوPLCsرا در يك سيستم جهت كاهش هزينه ها با هم تلفيق كرده است.به عنوان مثال امكانات DCSsوPLCs كه در سيستم كنترل APACSبكار گرفته شده اند عبارتند از:

1- controller configuration software: اين نرم افزارتشكيل شده است از چهار زبان:

• Function Block (FB)

• Ladder Logic

• Sequential Function chart

• Structured Text

كه درداخل يك control module database با قرارگرفته اند

2-كنترلر PLCقوي جهت افزايش قابليت اطمينان

3-معماري DCS انعطاف پذيرو قابل گسترش براي افزايش كارايي .

APACS يك بسته ويندوز NT كه شامل configuration ،operator interface ، Remote viewing و Historian Softwareمي باشد، فراهم مي كند.بسته نرم افزاري جهت ساده كردن فرايند اتوماسيون براي اطمينان از داشتن ابزاري موثرو قابل استفاده براي مقاصد ويژه مورد استفاده قرار مي گيرد.

اين معماري همچنين خصوصيات زير را دارا است:

1-قابليت استفاده از سطوح افزونگي(redundancy) اختياري و استاندارد.

2-پشتيباني از توليدات و سيستم هاي شركتهاي ديگر و يكپارچه سازي آسان آنها.

اين فصل در دوبخش به توضيح مختصر در مورد بسته هاي سخت افزاري و نرم افزاري سيستم اتوماسيون APACS جهت اشنايي با يك سيستم اتوماسيون مبني بر DCS و PLC مي پردازد.

2-5 بسته هاي نرم افزاري سيستم APACS

APACS به كاهش هزينه و پيچيدگي فرايندهاي اتو ماسيون بوسيله بسته هاي نرم افزاري كه در محيط Windows NT قابل اجرا هستند،كمك مي كند.

APACS Process Suit: يك نرم افزار پيكر بندي كنترلر است كه تر كيبي از:

يك operator interface ، Remote Viewing Tool Internet -based و يك Historian است.

Configuration software :

نرم افزار پيكربندي 4-mation كه در ويندوزNTيا ويندوز 98 قابل اجرا مي باشدودر آن پروژه در يك محيط گرافيكي براي ايجاد بانك اطلاعاتي شروع بكارمي كند.

نرم افزار4-mation بر مبناي استانداردIEC 1131-3 براي پيكربندي كنترلرهاي برنامه پذير مي باشد.اين نرم افزار از تركيب چهار زبان تشكيل شده است كه در داخل يك Control Module Database مي باشند :

• DCS-style function blocks: براي كنترل پيوسته مانند كنترل دماو فلو

• PLC-like ladder logic: براي نيازهاي گسسته مانند مدارهاي interlock

• Sequential function chart: براي تعيين روشها مانند راه اندازي اتوماتيك

• Structured text: براي اداره بهتر درخواستها در يك محيط متن مانند محاسبات پيچيده.

براي كاهش بيشتر زمان پيكر بندي، 4-mation از الگوريتمهاي تعيين شده قابل استفادﺓ كاربر براي استراتژهاي كنترل پشتيباني مي كندبطوريكه داده هاي ورودي دو نسخه ايي را حذف مي كند و به كاربر اجازه مي دهد كه استاندارد هايي براي واحد و محيط كار ايجاد كند.انواع متنوعي از application libraries تقريبا در دسترس هستند.

اين كتابخانه ها شامل پيش پيكر بنديهاي استراتژي هاي كنترل براي كاربرد هاي ويژه كه شما مي توانيد از آنچه هست استفاده كنيد.

يكبار كه كاربرپيكر بندي را ايجاد كرده باشد ،4-mation بصورت on-line اشكال زدايي مي كند وتست كردن را آسان مي كند .

4-mation امكانات زير را نيزارائه مي دهد:

1-ذخيره سازي از تصويرهاي گرافيكي پيكر بندي در كنترلربطوريكه نيازبه اسناد off lineرا بر طرف مي كند .

2-بر چسب هاي آدرس يابي برنامه كه سخت افزار كنترلر و تجهيزات فرايند را بهم مربوط مي سازد و اشكالزدايي و نگهداري و تعميررا آسانترمي كند.

3-گزارش جامع از اطلاعات تشخيصي كه شامل هر يك ازاطلاعات مربوط به وضعيت ماژولها،اعمال پيشنهادي براي رفع وضعيت نامطلوب مي باشد.

واسط اپراتوري(operator interface):

براي مونيتورينگ فرايندها APACS In Touch operator interface به كاربراجازه مي دهد كه به آساني نمايش گرافيكي واقعي از فرايندهارا در محيط ويندوز NTيا 98 ايجاد كند.(شكل 1-2) APACS InTouch ويژگيهاي زيادي را روي InTouch toolkit براي سرعت بخشيدن به startup فراهم مي كند.و درآغاز ايجاد پيكربندي يك Shell قابل بسط ،ايمن و كامل به كاربرارائه مي دهد.

اينShellويژگيهايي مانند زير ارايه مي دهد.

• توليد اتوماتيك بانك اطلاعاتي از يك بانك اطلاعاتي كنترلرAPACS براي ايجاد يك بانك اطلاعاتي homogenous system-wide

• ايجاد صفحه نمايش(faceplate displays)

• پيغام دادن يا نمايش روي صفحه با single click براي دستيابي آسان به تابع هاي بكار برده شده و قابليت ديدن مداوم اطلاعات آلام.

• پنچره اداره آلارم

Figure 2-1

• نمايش سلسله مراتبي(hierarchy)

• نمايش پيش فرضconventionشامل رنگهاو navigation

• ساختار داده اي سلسله مراتبي ايمن براي build on

• پنجره هاي historian trend و real-Time

• پنجره تشخيصي(diagnostic) كه شامل حالات سيستم مي باشد

• توليد گزارشهاي مبني بر پارامترها مانند batch trend،وقايع يا ليستهاي آلارم يا زمان(انتقال روزانه،هفتگي و ماهيانه)

علاوه بر اين، ابزارهاي ذخيره سازي زمانInTouch وظايف پيشرفته اي ارائه مي دهد مانند:

 زبان Scriptingبراي ايجاد فايلهاي آغازگر.

 هشدار دهنده توزيع يافته،كه چندين آلارم را پشتيباني مي كند بنابراين اپراتورها اطلاعات آلارم را از چندين مكان دور در يك لحظه مي توانند ببينند.

 وقايع نگاري توزيع يافته

Internet-based Viewer

APACS Scout تواناييها و امكانات مخابراتي را توسعه داده است چنانكه به كاربرامكان مي دهد عملكردها،توليدات و تعميرات و نگهداري سيستم را در نقاط دور ازفرايند بصورت on-line در يك شبكه سراسري اينترانت يا شبكه جهاني اينترنت مشاهده كند.

Open Historian

مديريت داده باIndustrialSQL server APACS آسانتر شده است.

IndustrialSQL serve يك بانك اطلاعاتي رابطه اي است كه از استاندارد مايكروسافت استفاده مي كند. دستيابي مشترك به real-time،ثبت رويدادها پيكربندي،،اطلاعات تجاري (داده هاي تجاري)را براي مشاهده،آناليز اطلاعات، گزارش گيري و... مهيا مي كند.اين معماري باز غير اختصاصي اجازه استفاده از ابزار هاي آناليز اطلاعات موجود را فراهم مي كند.

Figure 2-2

Industry-Specific Options

نگارش گسترش يافته APACS ProccessSuite مي باشد كه با تجهيزات منحصر بفردصنعتي سازگار است. براي مثال APACS ProccessSuite batch امكانات طراحي اضافي براي semi-continuousوhybridو batch processesرا فراهم مي كند.بعلاوه همه ويژگيهاي استاندارد ProccessSuite، Batch ProccessSuite راشامل مي شوند.

The APACS InBatchبراي مديريت، APACS Crystal Reports به منظور تهيه گزارش ، توابع بلوكي براي استفاده در 4-mation|و معجزه گرها (wizards) براي بلوكها مورد استفاده قرار مي گيرند.

InBatch يك دسته Supervisor قوي براي آسان كردن دستورالعمل مديريت،خط تبديل كننده سريع،رديابي دقيق و صحيح عناصر مورد استفاده،مستند سازي اتوماتيك از تاريخ توليدات و زمان سريعتر براي فروش را فراهم مي كند.

پيروي از استاندارد S88.01، InBatchبه كاربر اجازه معين كردن دستورالعملهاي يك دوره از فرايندهاي عمومي مستقل و توابع انتقال را مي دهد.

اين شيوه قابليت انعطاف زياد در طول انجام عمليات را امكانپذير مي كند و وابستگي سيستم را به كارشناس براي تعويض كاهش مي دهد.

UNIX-Based Operator Interface

سيستمAPACS همچنين يك UNIX-based operator interface براي كارخانه ها را ارائه مي دهد

APACS Process Supervisor (APS) روي ايستگاه DEC Alpha AXP با Digital UNIX و ايستگاه Hewlett-Packard PA-RISCبا HPUX اجرا مي شود. در اين محيط قدرتمند APS درك وتشخيص فرايند و فعل وانفعال مربوط به ان را براي اپراتورها آسان مي كند.

ويژگيهاي ديگرAPS عبارتند از:

 سيستم مديريت آلارم كه به طور دائمي پنجره اختصاري آلارم را نشان مي دهد و دستور دهنده ها رابراي آدرس يابي موقعيت الارم روشن مي كند.

 پيش پيكربندي و صفحه نمايش براي بازديد يا مرور اطلاعات فرايند در يك فرمت مشخص.

 گزارشهاي استاندارد كه مي تواند شامل زمان واقعي رخداد پروسه،تاريخ يا محاسبه اطلاعات باشد.

 يكي كردن (تاريخ نگاري)PI Historian بر روي پايگاه منتخب Unix

 بانك اطلاعاتي sap ready براي تسهيل در ايجاديك معماري بهينه .

[.sOuDeH. 16059]

3-5 سخت افزار سيستم APACS

سخت افزار كنترلر APACS انعطاف پذيري منحصر بفردي را ارائه مي دهد ودر عين حال ميزان هزينه ها و خريدها را كاهش مي دهد.

ويژگيهاي زير اين امكان را بوجود مي آورند.

• ساختار سخت افزاري مدولار كه تا حدود 50درصد يا بيشتر هزينه ها را كاهش مي دهد.

• توانايي پيكر بندي I/Oكه ميزان خريدها را كاهش مي دهد و بافراهم كردن ماژولهاي چند كاناله كه هر كانال مي تواند يك يا چند نوع خروجي يا ورودي را پيكر بندي كندا گسترش مي يابد.

• امكانات I/O گسسته(ديجيتال) ،شامل فيبر نوري كه از پيكر بندي ستاره براي بيشترين بهره وري ماژولهاي I/O پشتيباني مي كند

• طرح دستيابي از جلو براي نصب آسان ماژولها و ترمينالهاي محلي كه فضاي تجهيزات را كاهش مي دهد.

• چندين انتخاب براي نصب كارآمد ماژولها كه عبارتنداز: ده سلات MODULRAC،شش سلات SIXRACويك يا دو سلات UNIRAC ارائه مي دهد

• قفسه هايا RACK داخل يك محفظه عادي يا استانداردوقرار دارند.

• چند گزينه در انتخاب كابينت ارائه مي دهدكه عبارتند از: نوع1 (IP 20) نوع 12(IP 54)،نوع 12(IP 55)ونوع 4(IP 65)كابينت ها مي توانند در پيكر بنديهاي گوناگون بسته به محدوديت فضا و اندازه سيستم نصب شوند.

• پيش طراحي، كه چگونگي مونتاژ ترمينالها رابراي تسهيل در سيم كشي و كاهش هزينه هاي سيم كشي را هنمايي مي كند

1-3-5 Redundancy (افزونگي)

براي بالابردن قابليت اطمينان در سيستم APACS از سطوح Redundant استفاده مي شود. بدين صورت كه جهت افزايش تحمل پذيري سيستم ، به ازاي هر جزء يا برخي از اجزاي كليدي ، اعم از سخت افزار يا نرم افزار، يك يا چند جزء Stand by اضافه مي گردد و در صورت بروز خطا در جزء اصلي، قسمت Stand by ، ادامه فعاليت را به عهده مي گيرد

Redundancy به دو صورت انجام مي شود:(شكل1-3)

• Rack- to- Rack Redundancy: در اين روش Redundancy هر كنترلر بصورت جفت مي باشند كه با بروز عيب در كنترلر اصلي كنترلر پشتبان بلافاصله كنترل را بر عهده مي گيرد.

• Module-to-Module Redundancy: در اين روش هزينه ها نسبت روش فوق كاهش مي يابد و بطور متناوب ماژولهاي پرا هميت و بحراني بصورت جفت قرار مي گيرند.

 

 

Figure 3-1

2-3-4 معماري سخت افزاري APACS

معماري سخت افزاري سيستم APACS داراي انعطاف پذيري و قابليت گسترش (Scability) بالايي است.شكل 2-3 يكي از بي نهايت معماري ممكن APACSاست. .هر معماري صرف نظر از اندازه يا پيچيدگي آن، از بهم پيوستن نرم افزار و سخت افزار يكسان ايجاد شده است كه هزينه هاي ابتدايي و آتي رابه حداقل مي رساند.

واحد سيستم كنترل:

APACS يك هزينه كم ،براي سيستم كنترل فراهم مي كند. يك مجموعه، APACS شامل امكانات PLCو DCS است . واحد سيستم كنترل يك واسط اپراتوري مي باشدكه ويژگيهايي مانند:

توانايي پيكربندي وروديها/خروجيها، دارابودن يك PC كامل براي كاهش هزينه هاي سخت افزاري، اختصاص يكي از كابينت هاي APACS به اين واحدوارائه يك سيستم كامل و صحيح براي نصب پروسه هاي محلي.اين مجموعه براي فرايندهاي كوچك و متوسط(30الي 50 لوپ)و دسته فرايندهاي ساده(1 الي 2 واحد)، مناسب مي باشد.

 

 

Figure 3-2

سيستم محلي:

يك سيستم محلي، واحد سيستم كنترل را توسعه مي دهد(شكل 3-3) .اين روش مخصوصا براي فرايندهاي پيوسته با 30 الي 150 لوپ و مولتي واحد هاي كاربردي ساده موثر است.

سيستم گسترش يافته داراي ويژگيهايي مانند:

1-شاهراه كنترلر ايمن با يك MODULBUSمحلي يا MODULNETبسط يافته كه مي تواندفيبر الكتريكي يا نوري باشد.

2-واسط اپراتور روي يك شبكه اترنت كه از استانداردTCP/IPاستفاده مي كندوتوانايي مجتمع سازي آسان با شبكه هاي موجود را دارد.

3- با استفاده از خط تلفن وبا شماره گيري از نقاط دوردست مي توان سيستم را پيكربندي نموده و از آن بهره برداري كرد.

Plantwide system

يك سيستم APACS امكانات بي حد و حصري براي سيستمهاي Plantwide ارائه مي دهد. اين نوع از سيستم مي تواند براي عملكرد هاي پيوسته استفاده شود.

اين نوع از سيستم داراي ويژگيهاي زير است:

• انتخاب NTياUNIX براي ارتباط واسطهاي اپراتوري در شبكه سراسري اترنت.

• معماري انعطاف پذيري سروركهبه منظور به حداقل رساندن هزينه ها از تعداد زيادي ويندوز براي فرايند پشتيباني مي كند.

• دسترسي شبكه كنترلر فيبر نوري براي اجازه كنترل، جهت هماهنگ كردن Plantwide.

• مديريت انعطاف پذير از طريق ابزارهاي هوشمند براي مدلسازي فرايندها،ساختن پروسه ها و مديريت.

• مخابره يكپارچه با QUADLOG safety PLC

• سيستم بامعماري باز كه اجازه مي دهد مجتمع سازي آسان شود .

Figure 3-3

3-3-4 QUADLOG

براي طراحي يك سيستم ايمن به منظور كاربردهاي كنترل بحراني،APACS يك توليد مكمل كه QUADLOGناميده مي شود، ارائه مي دهد.

QUADLOGيك PLCمورد اطمينان و ايمن است،بدين معنا كه داراي مشخصه هاي كاملي است و نسبت به سيستمهاي ايمني سنتي عملكرد ايمن ترو قابل اطمينان تري دارد. براي مثال امكانات عيب يابي پيشرفته APACS و نگهداري كردن از خروجي ها و دوري كردن از نقصهاي خطرناك بالقوه اي كه در PLCهاي مرسوم وجود دارد.در صورتيكه معماري Redundant به قابليت استفاده ازيك ماژول سه گانه Redundant سيستم براي هزينه كمتر نائل مي شود.

تركيب APACSوQUADLOG يك تعادل بين نياز به سيستمهاي گوناگون و ارتباطات باز برقرار مي كند.سيستمها بطور كامل مستقل عمل مي كنند اما برروي يك شبكه قابل اطمينان و ايمن د رمحل براي جلوگيري از نفوذ به محيطQUADLOG مستقر هستند.(شكل4-3)

 

 

Figure 3-4

 

4- 4 بسته هاي سخت افزاري APACS

 

1-4-4 محفظه هاي(Enclosures) صنعتي APACS

دونوع محفظه صنعتي در سيستمهاي اتوماسيون APACS استفاده مي شود:

• MODULEPAC 1000

• MODULPAC 2000

يك MODULPAC APACSدر شكل 1-4نشان داده شده است .MODULPACيك محفظه صنعتي است كه شامل يك چارچوب داخلي محكم با صفحه هاي كناري ،يك صفحه(قاب) پشتي و صفحه هايي در سقف و كف و يك در با لولاي چپ يا راست مي باشد.ستونها به بلندي چهار و هشت اينچ كه محفظه را به كف محكم مي كند و دستيابي به سيم كشي پائيني را ميسر مي كند. كابلهارا مي توان از وسط پانل(صفحه) كف ياسقف وارد كرد.كف MODULPAC استاندارد داراي سه صفحه تنظيم پذير و واشر اسفنجي براي جادادن كابلهاي ورودي از پائين است.سه صفحه با سوراخهايي باندازه M8 X 20 وجود داردتا اتصالات گراندرا بتوان به آساني به آن پيچ كرد.

صفحه كف داراي اين مشخصه است كه دو صفحه كف مي توانند برداشته شوند و در آنها سوراخهايي براي اتصال كانكتورهاي لوله حفاظ (سيم پوش) (Conduit) ايجاد شده است.

سقف MODULPAC مي تواند يك صفحه يكپارچه يا صفحه ا ي با يك فن باشد. مشابه صفحه هاي كف ،سوراخها در صفحه سقف براي اتصال كانكتورهاي لوله حفاظ ايجاد شده است.

FIGURE 4-1 MODULPAC 1000

انواع پيكربنديهاي MODULPAC1000:

 

سه پيكربندي اصلي برايMODULPACوجود دارد(شكهاي2-4 و3-4):

1.SIDE-BY-SIDE CONFIGURATION:

اين پيكربندي يك رديفي از MODULPAC ايجاد مي كند.صفحه هاي پهلويي محفظه يك جفت MODULPAC در مجاورت يكديگرقرار مي گيرند و پيكربندي side-by-sideايجادمي شود. فقط صفحه هاي كناري بيروني در انتهاي هر رديف نصب مي شوند.

2.ONE-OVER-ONE CONFIGURATION

زماني كه سقف محفظه زيري و كف محفظه بالايي برروي هم قرار گيرند پيكربندي one-over-oneايجاد مي شود.بيش از سهMODULPAC مي تواننداين گونه بر روي هم قرار بگيرند.

بايد توجه كرد كه قسمت بالايي هر MODULPACبه منابع تغذيه توان بالا اختصاص دارد ، مانند APACS POWERAC.

3.BACK-TO- BACK CONFIGURATION

وقتي MODULPACsبصورت پشت به پشت قرار مي گيرند ،صفحه پشتي محفظه يك جفت MODULPAC در مجاورت هم قرار داده مي شوند.

 

 

FIGURE 4-2 Typical MODULPAC Side-by-Side and One-Over-One Configurations

 

FIGURE 4-3Typical MODULPAC Back-to-Back and One-Over-One Configurations

[.sOuDeH. 16059]

4-MODULPAC2000

MODULPAC2000شامل يك سري كامل از اندازه هاي محفظه هاي صنعتي براي سيستمهاي كوچك و بزرگ است.شكل 4-4 يك نوع از اين محفظه ها را نشان مي دهد.اين محفظه ها در دوشكل تهيه شده اند:

• مهر وموم شده (sealed)

• تهويه دار(ventilated)

محفظه مهر و موم شده محافظت از تجهيزات در يك محيط ناملايم كه ا مكان وجود گردوغبار،ريزش خاك و چكيدن مايعات دارد را ميسر مي كند.

اين محفظه از طريق تشعشع ورقه فلزي قابها (panel)خنك مي شود.گردش فن ها وقتي نياز مي شودكه ماژولهاي APACSنصب شده اند و افزايش دماي دروني را به حداقل مي رساند. هوا بين محيط دروني و خارج محفظه مبادله نمي شود.

محفظه تهويه دار براي اتاق كنترل توصيه مي شود.اين محفظه در برابر ريزش خاك و قطرات آب محدوديت حفاظتي دارد. اين نوع محفظه بوسيله فني كه روي سقف ان نصب شده است هواي خارج را از بين هواكش ***** شده درها مي كشدوهواي گرم را از سقف تخليه مي كند.(شكل5-4)

كابلها مي توانند ازبين قاب كف ياسقف محفظه وارد شوند.قاب كف دو خصيصه دارد واشر اسفنجي (foam gasketing) و قابهاي تنظيم پذير كه بوسيله كاربر به پهنا باز شده اند كه با كابل كشي تطبيق مي دهد.

اين قابها در محل مي توانند ثابت بمانند و سوراخهاي ايجاد شده در آنها براي اتصال كانكتورها لوله محافظ سيم ها مناسب هستند.

در روش مشابه، سوراخهايي ميتوان در قاب سقف براي اتصالات لوله محافظ سيم ها ايجاد كرد.همه محفظه داراي ارتفاع2000mmوعرض800mmميباشند.آنها دردو عمق ارائه شده اند:عمق800mm براي دستيابي به جلو و عقب و عمق500mmفقط براي دستابي به جلو.

FIGURE 4-4 APACS MODULPAC 2000

 

FIGURE 4-5 Dimensions, Side-By-Side Configuration

2-4-4 RACKs (قفسه ها) سيستم APACS

سيستم APACS داراي چهار نوع Rack است كه در اين زير بخش به توضيح مختصر در مورد هركدام پرداخته مي شود:

Remote I/O Rack

MODULRAC

SIXRAC

UNIRAC

Remote I/O Rack:

Remote I/O Rackداراي چهار رديف سلات مي باشد كه ماژولهاي I/O،APACSدر آن قرار مي گيرند (شكل 6-4) ، همه اين ماژولها hot-swap هستند به اين مفهوم كه وقتي منبع تغذيه Remote I/O Rackروشن است مي توان ماژولها را تعويض كرد.

Figure 4-6 Remote I/O Rack

قفسه (Rack) براي نصب روي سطح تخت مانند ديوار يا صفحه تجهيزات لبه دار شده است.همچنين مي تواند بر روي قاب تخت داخل محفظه MODULPAC نصب شود.

هر ماژول در Remote I/O Rack بوسيله كابل I/Oبه سيم كشي I/Oخودش در لايه فيلد وصل مي شود.هر كابل از Slot ماژول داخل Rackبه ترمينالهاي I/Oوصل مي شوند نصب اين كابلها در زمان نصب Rackانجام مي شود .

Remote I/O Rackمي تواند به عنوان چهار ماژول I/Oزيرسيستم (subsystem) عمل كند يا براي افزايش تعداد ماژولهاي I/Oاز SIXRACاستفاده شود كه در اين صورت تعداد ماژولها از شش تا ده ماژول مي شود.

بعد از نصب ماژولهاي I/O در Remote I/O Rackبايستي به يك وسيله كنترل مانند ماژول كنترل (ACM)] [Advanced Control Moduleوصل شود.اين اتصال توسط IOBUSصورت مي گيرد.در اين متن كنترلر به ابزار(منبع) كنترل باضافه ماژول I/O وابسته به آن اطلاق مي شود.

وقتي ماژول I/Oدر داخل Remote I/O Rackنصب شد يك گره روي باسهاي زيرمي آورد:

IOBUS: يك باس سريالRedundant با سرعت انتقال اطلاعات 1Mbpsارتباط يك ماژول كنترل با دستيابي ايمن و اختصاصي به نقاط I/Oميدان از طريق ماژولهاي I/O را ممكن مي كند.معمولا،يكIOBUS مي تواند حداكثر چهل اسلات كه شامل هر تركيبي از Remote I/O Rackبا 4 اسلاتSIXRACبا شش اسلات،MODULRACبا ده اسلات وUNIRACبا يك اسلات را پشتيباني كند.اين Rack هابه طور سري با كابلهاي AوB ازIOBUSبهم وصل مي شوند.توجه كنيد كه هر ماژول كنترل (ACM, CCM)

Bus Continuation Module (BCM)،Bus diverter Module(BDM)

و هرا سلات خالي به عنوان يك اسلات فرض مي شوند.

يك تضعيف كننده (Attenuator) با هر Remote I/O Rackعرضه شده است . وقتي طولIOBUSبه 30متر يا بيشتر مي رسد،تضعيف (attenuation)، براي حفاظت در برابر سيگنالهاي بازتابي الزامي شده است در اين رخداديك طرف IOBUS جدا يا قطع مي شود.

Power Bus: يك باس سه گانه كه ولتاژ 24 Vdc ماژولهاي I/Oاز سه منبع تغذيه مستقل را تامين مي كند.

پانل پشت Remote I/O Rackداراي كانكتورهاي power bus،DCاست ،همچنين اگر نيازبه گسترش دادن IOBUS براي قفسه هاي(Rack) اضافي باشد داراي كانكتورهاي IOBUS مي باشد.

يك سوئيچ فشاري روي Back Panel )تابلوي پشت( براي تعيين آدرس I/O Rack Remoteجهت شناسايي نرم افزاري ماژولهاي I/Oدر ارتباطات در سراسر سيستم استفاده شده است.

يك سوئيچ نمايش رنج آدرس ا سلات رو ي Back Panel براي ست كردن اينكه آيا آدرسهاي پايين تر اسلات براي استفاده يك سيستم مستقل اشغال شده (1تا4) يا آدرسهاي بالاتر اسلات(7تا10) به منظور گسترش ،به Rack ديگر مانند SIXRAC

مورد استفاده قرارگرفته است.(شكل 7-4)

Figure 4-7 Remote I/O Rack Backplane Details

نصب :

در اين قسمت به چگونگي نصبRemote I/O Rackپرداخته شده است .

الف ) شناسايي سخت افزار:

Remote I/O Rackبوسيله برچسبي كه در سمت چپ شاسي چسبانيده شده است شناسايي مي شود.اين برچسب اطلاعاتي مانند مدل ، Number Part ،وشماره سريال دراختيار مي گذاردكه در شكل زير نشان داده شده است.

Figure 4-8 Example of Remote I/O Rack Identification Label

ب )آماده سازي

قبل از اقدام به نصب اقدامات مقدماتي(آماده سازي) زير بايد انجام شود:

1-تعيين كردن مواردزير:

1)تعداد و نوع ماژولهاي I/Oمورد نياز

2)گستره ارتباطات كنترلرو تعداد Rack مورد نياز براي تطبيق

با ماژولهاي I/Oو كنترلر مورد نياز.

موارد زير مورد توجه قرار گيرد:

• IOBUSحداكثر 40 اسلات را پشتيباني مي كند.

• Remote I/O Rackفقط ما ژولهاي I/Oرا پشتيباني مي كند و ماژولهاي كنترل در Rackهاي ديگري مانندSIXRAC نصب مي شوند.

• حداكثر 32 ماژول كنترل مي توان روي يك MODULBUS مستقر كرد، MODULBUS فقط MODULRACsو SIXRAC ، MODULBUSرا پشتيباني مي كنند.يكMODULBUS از بين حداكثر چهار SIXRACيا چهار MODULRACيا تركيبي از هر دو كه معادل چهار Rackمي باشد گسترش مي يابد.

3) تعيين طول كابلهايIOBUS مورد نياز براي اتصال به يك يا بيشتر Rack.

• در سيستم APACSبا Redundancy ماژول به ماژول يا بدون Redundancy ، طول كابلهاي IOBUSمورد نيازطويلتر از ماكزيمم استاندارد كابل (30mيا 98.4ft) است .

2-تعيين تعداد Rack هابراي نصب كردن. Remote I/O Rack روي سطح تخت نصب مي شود مانند پانل يك تجهيز يا ديوار.

3-اگر به بالاي چهار Remote I/O Rackنياز باشد مي توان آنها را در يك MODULPACنصب كرد به شرطي كه اول يك يا بيشتر پانل مسطح در محفظه نصب شود.شكل9-4 ابعاد يك Remote I/O Rackرا نشان مي دهد.

4-آماده كردن يا اصلاح كردن نقشه هاي سيستم

• موقعيت فيزيكي Remote I/O Rack،اتصال ماژول I/O،و بخش هاي وابسته مانند منبع تغذيه .

• Each Remote I/O Rack’s intended rack address and slot switch setting

5-نصب لوله سيم پوش و سيمروي كابل مورد نياز

6-براي هر Remote I/O Rack ، سوئيچ آدرس Rackو سوئيچ رنج آدرس اسلات مطابق با نقشه هاي سيستم ست شود.

7-نصب ماژولهاي I/Oدر Remote I/O Rack

Figure 4-9 Remote I/O Rack Dimensions

ج )ملاحظات محيطي:

وقتي كه يك Remote I/O Rackدر يك محفظه مانند MODULPACنصب مي شود دماي هواي داخلي اندازه گيري مي شود براي اينكه اطمينان حاصل شود كه از دماي تعيين شده هنگام نصب تجاوز نكند.هر ماژول I/Oسيستم APACSداراي يك سنسور دماي ورودي است كه اگر دماي داخلي از محدوده مشخص شده ماكزيمم تجاوز كند يك آلارم را فعال مي سازد.Remote I/O Rackدو فن دارد كه گرما را از روي ماژولهاي I/Oدفع مي كند.

محيطهاي صنعتي اغلب شامل ذرات ريز و آلودگيهاي گازي و مايع است. اين ذرات ريز معمولا گردو غبارو خاك هستند كه متناوبا به كنتاكتور هاي تابلوي پشت

Remote I/O Rack بر خورد مي كنند.آلودگيهاي گازي و مايعي امكان دارد ا ثر خورندگي روي فلز ، پلاستيك و برد مدارات داشته باشد. قرار گرفتن زياد تجهيزات در اين آلودگيها با عث ايجاد عيب در آنها مي شود.

كاهش آلودگيهاي كه باعث نقص در تجهيزات مي شود:

• شناسايي آلودگيها و انجام روشهايي براي كاهش آنها

• تميز كردن تجهيزات و محيط اطراف ، مخصوصا كف از گردو غبار و خاك. تميز كردن و تعويض منظم *****هاي هواي اتاق و تجهيزات.

د) مونتاژ Remote I/O Rack

Remote I/O Rackبراي نصب همتراز روي سطح تخت مانند ديوار يا پانل تجهيزات لبه دار شده است. همچنين روي پانل تخت داخل محفظه MODULPAC قابل نصب است.

مونتاژ مكانيكي Remote I/O Rack:

1- تعيين محل پانلي كه Remote I/O Rack بايد روي آن نصب شود.

2- شش سلات پيچ شده روي Remote I/O Rack قرار دهيد.

3- موقتا Remote I/O Rackرا در محلي كه براي نصب مشخص شده ( ديوار يا پانل وسايل) قرار دهيد. سپس مطمئن شويد كه سطح بالايي Rackهمتراز شده است،و با يك مداد سطح مونتاژ و محل پيچ شدن اسلات را براي سوراخ كردن علامت بزنيد.

4-محلهاي علامتگذاري شده را با مته سوراخ كرده و آنها را قلاويز كنيد.

5- Remote I/O Rackرا در محل نصب قرار دهيد و جهت محكم كردنآن از بست هاي مخصوص استفاده كنيد.

Figure 4-10 Mounting a Remote I/O Rack

كابل IOBUSو اتصالات موازي /جامپر:

IOBUS،Redundant است (طرفهاي AوB) و حداكثر ظرفيت آن 40گره است ، يك ماژول كنترل و 39 ماژولI/O. ظرفيت واقعي بستگي به نوع Rackاستفاده شده يا تركيبي از آنها دارد.

حداقل گره IOBUSداراي دو ماژول است:يك ماژول كنترل و يك ماژول I/O،گرچه ماژول كنترل بايستي در SIXRACيا MODULRACنصب شود با MODULBUSارتباط برقرار مي كند.

ظرفيت IOBUS،براي Remote I/O Rackچهار ماژول (گره) مي باشد و به بخش هاي جداگانه قابل پيكربندي نيست،اما IOBUS آن مي تواند به يك Remote I/O Rackديگر ،SIXRAC،MODULRACيا UNIRACوارد شود (شكل 11-4 تا 13-4 را ببينيد)

Figure 4-11 IOBUS Connections – SIXRAC to Remote I/O Rack

 

Figure 4-12 IOBUS Connections – Remote I/O Rack to Remote I/O Rack

 

Figure 4-13 IOBUS Connections – MODULRAC to Remote I/O Rack

MODULRAC

 

MODULRAC داراي ده اسلات و Back Panel مي باشد كه روي ريلهاي استاندار EIA 19-inch در محفظه MODULPACنصب شده است. MODULRACجايگاه ماژولهاي سيستم APACS+ مي باشد. Back Panel توزيع توان، آدرس يابي،و ارتباط با I/Oرا ميسر مي كند.

LTPيا (Local Termination Panel) يك ريل نصب شده روي پانل است كه در زير MODULRAC قرار داده شده است.LTP زماني نصب مي شودكه Local I/O Termination مورد استفاده قرار بگيرد.

دو كانكتور در پشت ماژول قرارداده شده است:كانكتور فوقاني P1و كانكتور تحتاني P2.وقتي يك ماژول در داخل سلات قرار مي گيرد،كانكتور P1ماژول به يكي از ده كانكتور Back Panel گير مي كند.(Engages) كه ماژول را به عنوان يك گره به يكي از باسهاي زير وصل مي كند:

IOBUS: كه در قسمت قبل درباره آن بحث شد،

POWER BUS: در قسمت قبل درباره آن بحث شد

MODULBUS (M-BUS): يك ماژول داخلي Redundant (AوB) باس ارتباطي با سرعت انتقال اطلاعات 5Mbps است كه بوسيله ماژولهاي كنترل ،مخابراتي و كامپيوتري براي تقسيم كردن فرايند و اطلاعات سيستم مورد استفاده قرار مي گيرد.

M-BUS 32 ماژول را مي تواند پشتيباني كند و مي تواند سراسر چهار MODULRACرا با كابلهاي AوB،M-BUS توسعه دهد.

قسمت چپ Back Panelشامل: كانكتورهاي Bus DC Power،كانكتورهايMODULBUS A/Bو كانكتورهاي كابل IOBUS A/B IN مي باشد.

بخش راستBack Panelشامل:كانكتورهاي MODULBUS A/B و كانكتورهاي كابل IOBUS A/B OUTمي باشد.اين كانكتورها توسعه MODULBUS و IOBUSرا ميسر مي كنند.

يك سوئيچ روي قسمت راست فوقاني Back Panel براي تعيين يك آدرس منحصر بفرد MODULRAC جهت تشخيص نرم افزاري ماژولها درارتباطات سراسر سيستم ست است.)شكل 14-3)

Figure 4-14 ModulRac Backplane Details

SIXRAC

SIXRACشامل شش اسلات است و مي تواند شش ماژول سيستم APACSرا پشتيباني كند، همچنين داراي Back Panelمي باشد كه توزيع توان ، آدرسيابي و ارتباطات I/Oرا ميسر مي كند.

UNIRAC

UNIRACنصب يك ماژول I/O را ميسر مي سازد. دو يا سه UNIRACبصورت Side-by-Side مي توانند يك گروه كوچك از ماژولهاي I/O تشكيل دهند.يك كانكتور در بالاي صفحه پشتي UNIRACنصب شده كه با كانكتور P1ماژول I/Oجفت مي شود كه دستيابي ماژول به توان عملياتي و ارتباطات AوB،IOBUSو سيگنالهاي Redundant را ميسر مي كند.قسمت زيرين صفحه پشتي UNIRACيك فيوز خودكار داردكه نصب يك كابل I/Oرا ممكن مي سازد.انتهاي ديگر كابلI/Oبه

Marshaled Termination Assembly كه دردور دست نصب شده، متصل مي شود.

UNIRACيك Back Panelدر صفحه پشتي خود دارد كه شامل سوئيچهاي فشاري آدرس اسلات و Rack مي باشد كه ست كردن آدرس سلات و Rackماژول I/O را ميسر مي سازد.

شكل 15-4 اتصالات اساسي به UNIRAC رانشان مي دهد

FIGURE 4-15 UNIRAC-to-IOBUS Connection Examples

[.sOuDeH. 16059]

3-4-4 Rack-mounted Industrial Server): RIS)

Rack- mounted Industrial Server): RIS) در شكل 16-4 نشان داده شده است،كه داراي كارائي بالا،اهداف عمومي،كيفيت صنعتي و سازگار با كامپيوتر هاي IBMدارد.

FIGURE 4-16 Rack-mounted Industrial Server

از سيستم عامل Microsoft Windows NT استفاده مي كند،اما اگر نياز شود از سيستم عاملهاي ديگري هم مي تواند استفاده كند. RISمتنوع است و در سيستمهاي اتوماسيون كاربرد دارد.آن مي تواند بعنوان يك سرور سيستم ، ايستگاه پيكربندي، اينترفيس fieldbus،اينترفيس شبكه،ايستگاه اپراتور،ضبط كننده اطلاعات ،control engine يا

Data acquisition engine عمل كند.در بسياري حالات RISبراي اهداف متنوعي مورد استفاده قرار مي گيرد.

شكل 17-4 مثالي از يك سيستم با دوواحد RIS در كنار هم به عنوان يك سرور Redundant سيستم نشان شده است.

FIGURE 4-17 Example System Using RIS-Based Server

RIS داراي ويژگيهاي سخت افزاري زير است:

• Intel Pentium® III 450 MHz Microprocessor

• 128 MB 100 MHz SDRAM standard (256 MB option), expandable to 2 GB

• 6.4 GB, 3.5" EIDE hard disk drive

• 1.44 MB, 3.5" floppy disk drive

• 32X CD-ROM ATAPI drive

• On-board Intel PRO/100+ Fast Ethernet port, supports 10BASE-T and 100BASE-TX, RJ45 connector

• Intel PRO/100+ Fast Ethernet PCI adapter, supports 10BASE-T and 100BASE-TX, RJ45 connector

• On-board 64-bit Cirrus Logic GD 5480 video controller with 2 MB SGRAM graphics memory

• On-board Adaptec dual-channel SCSI controller - one Ultra2/LVD SCSI, one Ultra-wide SCSI

• Internal expansion slots:

• 1 ISA slot

• 6 PCI slots (5 normally available)

• MODULBUS (M-BUS) connection via optional MODULBUS Interface (MBI) ISA card or

• MODULNET (M-NET) connection via optional MODULNET Interface (MNI) ISA card

يك مونيتور،صفحه كليد، موس،پرينترو وسايل جانبي ديگربراحتي به كنتاكتورهاي پشت RIS وصل مي شوند.كابلهاي MBIو MNI همچنين به پشت RIS متصل مي شوند.

وسايل جانبي مانند مونيتور ، صفحه كليد و موس در نزديكي RIS و يا در محيط دور دست قرار داده مي شوند.(روي ميز يا روي يك قفسه در كابينت تجهيزات). RIS در كابينت MODULPACيا هر كابينت ديگري كه عرض آن 800mmباشد قابل نصب است.

RISبه عنوان يك كامپيوتر Hostقابليتهاي زير را دارد:

• بعنوان يك فراهم كننده داده ورودي/خروجي براي APACS+ عمل مي كند از استاندارد هاي ISA و PCI براي نصب كارتهاي (باس ، شبكه،واسطه I/Oفرايندها)پشتيباني مي كند.

• سازگار با پروسسور هاي دوتايي براي كارايي بيشتر

• پشتيباني از هارد ديسكهاي hot-swap وعمليات Independent Disks(RAID) Redundant Array of

• پشتيباني اختياري از Error Correcting Code(ECC) ماژولهاي حافظه براي افزايش قابليت اطمينان

• مطابق با دستورالعمل

European Union s Electromagnetic Compatibility (EMC) مي باشد

شكاف هاي توسعه (EXPANSION SLOTS)

RIS هفت شكاف توسعه براي سازگاري با كارتهاي توسعه دارد.

اين شكاف ها شامل يك شكاف ISAو شش شكافPCIمي شود. اين شكافها در شكل 19-4 نشان داده شده اند. كانكتورها I/Oكارتهاي مبدل قرارگرفته روي

Back Panel در تمام شكافها قابل دسترسي هستند (شكل 18-4).

FIGURE 4-18 Rear Panel of RIS Unit

چهار اسلات PCIاولي از كارتهاي مبدل با استاندارد 5v،PCI33MHz پشتيباني مي كنند در حاليكه سلاتهاي 5و6از كارتهاي 5volt،PCI 66 MHz پشتيباني مي كنند.استفاده از كارتهاي مبدل 33MHzدر اسلات هاي 5,6 كارايي بهينه اي ندارد.

RISهمچنين RAIDرا پشتيباني مي كند.RAIDيك ديسك زير سيستم است كه افزايش كارايي را ممكن مي سازد.

مبدل دو كنترلر SCSI ارايه مي دهد كه قابليت 16-bit Ultra Wide SCSIدر صورت سرعت انتقال داده و40Mbpsيا Ultra Wide SCSIدر صورت سرعت انتقال 80Mbps را دارا مي باشند.

FIGURE 4-19 RIS Motherboard

4-4-4 ماژولهاي كنترل

ماژولهاي كنترلي كه در سيستم APACS مورد استفاده قرار مي گيرند چهار نوع مي باشند:

 Advanced Control Module Plus (ACM+)

 Advanced Control Module (ACM)

 Computer Expansion Module (CEM)

 Satellite Control Module (SCM)

در زيرتنها به توضيح مختصر درمورد ماژول كنترل ACM+ مي پردازيم .

Advanced Control Module Plus (ACM+)

ميكرو پروسسور مستقر روي ACM+ يك عنصر كليدي ماژول كنترل APACSاست .ACM+از طريق IOBUSبا ماژولهاي I/O واز طريق MODULBUSبا ماژولهاي مخابراتي ، كامپيوتري و كنترلي ارتباط برقرار مي كند .(شكل 20-4).

ACM+يك اسلات در Rack اشغال مي كند.كانكتور بالايي در پشت ما ژول با يك كانكتور Back Panel درگير مي شود و دستيابي به POWER BUSو IOBUS و MODULBUSرا ميسر مي كند. كانكتور زيري بايك

Transition Board ACM براي دسترسي به پورتهاي سريال و كانكتورهاي Redundancy جفت مي شود.

در مقايسه با ماژول ACM،ACM+داراي يك حافظه FLASH EEPROMيك مگابايتي غير فرار براي ذخيره سازي نرم افزار سيستم عامل است در حاليكه ACM نرم افزار سيستم عامل را در RAMذخيره مي كند.

FLASH EEPROM از تغيير تصادفي يا خطا در سيستم عامل جلو گيري مي كند.ACM+تقريبا 500KBاز RAMرا براي پيكربندي ويژه دستورات آزاد مي كند.

ACM+سيستم عامل را بجاي SRAMاز FLASH EEPROM اجرا مي كند اما پيكربندي هنوز در SRAMمستقر است.

FIGURE 4-20 Advanced Control Module and Transition Boards

نشانگرهاي LED

LEDهاي ACM+ بدون نياز به Operator Interface عيب يابي مي كنند. ماژول داراي سه LEDاست كه حالات ماژول را نشان مي دهد.

پيكربندي(Configuration)

ACM+بوسيله نرم افزار پيكر بندي 4-mation پيكربندي شده است .4-mationيك استراتژي كنترل را بوسيله هر تركيبي از چهار زبان تعيين مي كند.اين زبان ها عبارتنداز: function block، ladder logic،sequential function chart وstructured text.

اين زبانها اجازه مي دهند يك تركيب بندي ايجاد شده، ابزار هاي موثرتري رابراي هر كاربردي در اختيار بگذارد.

يك نسخه پشتيبان از پيكربندي ماژول I/Oتوسط ACM+ نگهداري مي شود كه امكان پيكربندي اتوماتيك ماژول I/Oرا زمانيكه در داخل سلات Rackقرار مي گيرد مي دهد.پيكربندي بصورت on-lineنيز امكان پذير است زيرا همه اطلاعات مورد نياز پيكربندي در بانك اطلاعاتي ACM+ ذخيره شده است.

شرح مدار ماژوكنترل +ACM

اين بخش به توضيح وتشريح مدار ACM+پرداخته است (شكل 21-4)

عناصر اساسي +ACM

1-CPU 68040با پردازنده كمكي

2-كنترلر جانبي 68302

3-كنترلر باس 68824

4- مودم IOBUSبا درايور هاي Redundant

5-مودم MODULBUAبا درايو هاي Redundant

6-4يا8 مگابايت RAMبا باتري پشتيبان

7-512 كيلو بايت حافظه PROM

8- پورت هاي سريال Dual DMA RS-232

9-پورت Redundant، SCSI(Small Computer System)

10- تايمرWatchdog

11- يك مگابايت حافظه EEPROMبراي سيستم عامل

CPU 68040با معماري و دستورات 32 بيتي و حافظه نهان داده (Cache)

انجام محاسبات را بر عهده دارد. فركانس داخلي CPU،66MHz و فركانس باس ان 33MHzاست.كمك پردازند ه، محاسبات اعشاري را انجام مي دهد كه به CPU امكان مي دهد وظايف خود را سريعتر انجام دهد.

WATCHDOG / RESET

در مدت كار ACM+ ،اگر در هر لحظه ايي ولتاژ تغذيه ICبه زير 4.5Vافت كند،Watchdogيك سيگنال Reset توليد خواهد كرد كه MOSFETرمز گشاي RAMقطع مي شود و در اين صورت از RAMمحافظت مي شود.در زمان نقص منبع تغذيه دستيابي به RAM ممكن نيست.

BUS TIME OUT and BUS ARBITRATION

يك مدار BUS TIMEOUT يك سيگنال خطاي ورودي به CPU توليد مي كند.وقتي استفاده مي شود كه خاتمه يافتن يك سيكل باس ناموفق باشد.ACM+ حداكثر زمان دستيابي به حافظه را ممكن مي سازد.اگر در زمان دستيابي به حافظه آدرسي وجود نداشته باشد يا مدارات دستيابي به حافظه معيوب باشند و يك خطا در دوره تناوب اتفاق بيفتد ، يك سيگنال خطا ي باس براي پايان دادن به سيكل باس توليد مي شود.

سه باس اصلي وجود دارد كه CPUنخستين واسط آنها است : باسهاي آدرس،داده و كنترل.

FIGURE 4-21 ACM+ Block Diagram

RAM and ROM

ACM+ يك حافظه 4MBيا 8MB استاتيكي RAMبا يك باتري پشتيبان، 512KBحافظه FLASH PROMو 1MBحافظه FLASH EEPROMبراي كدهاي سيستم عامل دارد.RAMبوسيله هر سه باس اصلي قابل دسترسي است.

پيكر بندي سيستم عامل ACM+از يك ايستگاه كاري يا يك كامپيوترشخصي متصل به سيستم APACS+،پياده سازي (download)شده است.

پيكربندي در حافظه RAMماژول كنترل ACM+ذخيره شده است،اما سيستم عامل در حافظه EEPROMذخيره شده است.يك باتري 3.6 Vليتيومي محتويات حافظه RAM را وقتي كه منبع تغذيه ACM+برداشته مي شود حفظ مي كند. نرم افزار، باتري قطع شده و ضعيف را پيدا مي كند و يك پيام خطا روي صفحه نمايش كامپيوتر نشان مي دهد.

SERIAL PORTS

پورتهاي سريال قابل دسترسي روي ACM Transition Board براي اتصال به پورت COMكامپيوتر شخصي سيم كشي شده اند. هر پورت بوسيله كنترلر خارجي و خط گيرنده RS-232 كنترل شده است.

MODULBUS

MODULBUSشا مل Token Bus Controller (TBC)،M-BUS Modem

M-BUS Line Drivers/Receivers است.

TBCيك وسيله جانبي هوشمند براي كنترلر جانبي است.

TCBبا مودم MODULBUS كه يك اينترفيس بين MODULBUSو خط دوتايي Drivers/Receivers است بطور سريال ارتباط برقرار مي كند.

TCBكارهاي زير را انجام مي دهد:

• دستيابي منظم به MODULBUS را اداره مي كند.

• وسيله اي براي قبول و حذف از ماژولها عرضه مي كند.

M-BUS Modemوظايف زير را انجام مي دهد:

• تبديل داده دريافتي MODULBUSبه فرم سازگار براي پردازش داده.

• تبديل داده سريال از TCBبه فرم سازگار براي انتقال در سراسر ماژول.

IOBUS

عناصر IOBUSشامل:

IOBUS Modemو dual IOBUS line drivers/receivers است.

كنترلر68302 بر ارتباطات IOBUS درسراسر عمليات دريافت يا ارسال سيگنال با مودم IOBUS نظارت مي كند.مودم و خط دوتايي drivers/receivers وظايفي مشابه مودم M-BUSو خط دوتايي drivers/receivers كه در قسمت قبل توضيح داده شد،دارند.

SMALL COMPUTER STSYTEM INTERFACE) SCSI)

And

REDUNDANCY

پورت Redundancy، SCSI شامل يك مدار Redundancy Switchover و SCSI bus Controller Interface مي باشد كه كنترلر جانبي بر آنها نظارت دارد.

ACM+، Redundant Rack-to-Rack با هر باس SCSI سرعت بالا ارتباط بر قرار مي كند.

كنترلر SCSIواسط بين كنترلر جانبي و باس SCSIاست.ارتباطات باس SCSI مبادله داده تشخيصي و I/Oبين ACM+اوليه و پشتيبان است.

تعويض ACM+ اوليه به پشتيبان با يكي از سه روش زير انجام مي گيرد:

1.يك اپراتور مي تواند تعويض انجام دهد بشرطي كه :

Redundancy Control Function Blockپيكربندي شده باشد.

2.ACM+جانشين وقتي در مد standbyاست همه داده هاي IOBUSرادريافت و ذخيره مي كند. تبادل داده ساخته شده سراسر باس SCSIصورت مي گيرد بنابراين هردو ACM+داده هاي دريافتي يكديگر را مقايسه و تائيد مي كنند.يك تعويض بشرطي انجام مي گيرد كه داده هاي دريافتي ACM+پشتيبان از ACM+فعال، شامل هيچ خطاي بررسي داده نباشد.

3.ACM+فعال يك پرچم OKبه عنوان بخشي از مبادله اطلاعات تشخيصي به ACM+جانشين مي فرستد.پرچم OKنشان مي دهد ACM+ به عنوان يك كنترلر نرمال كار مي كند.اگر امكانات عيب يابي روي برد ACM+يك نقص از كنترلر ACM+پيدا كند،پرچم NOT-OK مي فرستد و ACM+پشتيبان جايگزين مي شود.

[.sOuDeH. 16059]

5-4-4 ماژولهاي I/O

شركت Siemens Moor ماژولهاي I/O متنوعي را براي سيستم اتوماسيون

APACS عرضه كرده است كه در اين بخش به بررسي ماژول I/O ، SDM+ مي پردازيم:

Standard Discrete Module )SDM+)

SDM+يك ماژول I/Oاز خانواده ماژولهاي سيستم APACS+است كه توانايي ارتباط با ACMو ماژولهاي كنترل ديگراز طريق IOBUS را دارد.ويژگي+ SDM مدارات محافظ خطا و بهبود ي تشخيص ان است.

شكل 22-4 و23-4، SDMو سخت افزار وابسته را نشان مي دهد.ودر شكل 24-4 SDM Relay Marshalled Termination Assembly و

SDM Rail Termination نشان داده شده است.

SDM+،32 كانال كه به صورت نرم افزاري پيكر بندي مي شوند ارايه مي دهد. روي پايه هر كانال يك ورودي گسسته غير استاندارد، خروجي گسسته استاندارد يا كانال خروجي پالس وجود دارد.مدت پالس خروجي كه قابل پيكر بندي است بين 10 تا 2000ميلي ثانيه با افزايش 10 ميلي ثانيه ايي است. همچنين دارا ي دو نوع كانال

Sequence of Events] SOE] است.

هر كانال يك سيگنال ورودي از فيلد و مونيتور خروجي خودبراي بررسي صحت عمليات مي تواند بخواند.SDM+ سيگنالها را به سيگنالهاي گسسته سازگار با IOBUS تبديل مي كند.

32 كانال ورودي / خروجي مي تواند واسط تعداد متنوعي از وسايل ميدان مانند كنتاكت هاي خشك،PLCs، نشانگرها،LEDsو لامپهاي التهابي،شيرهاي سلونوئيدي DC،كنتاكتور هاي كوچك و موتورهاي DC قرار گيرد.

كانالهاي SOEوظيفه اي مشابه كانالهاي ورودي و خروجي گسسته دارند.به اضافه موارد زير:

 كانالهاي ورودي گسسته SOEدر هر يك ميلي ثانيه اسكن مي شوند.

هر تغيير در مقدار يك كانال SOEبطور اتوماتيك به عنوان يك رخداد در بافر SDM+ضبط مي شود: در ضبط كننده SOEزبان Function Block Libraryقابل دسترسي است كه توانايي بازيابي اطلاعات رويداد از SDM+را دارد.

يك منبع ولتاژ خارجي 24 V براي تامين توان تجهيزات ميدان توسط كاربر بايد فراهم شود. يك كانال كه به عنوان يك ورودي پيكربندي مي شود يك ولتاژ DCاز منبع تغذيه I/Oكه بوسيله يك تجهيز ميدان سوييچ مي شود مانند كنتاكتور يا سوييچ دستي دريافت مي كند. كانال پيكربندي شده به عنوان خروجي از MOSFET براي سوييچ ولتاژ منبع تغذيه I/Oو جريان بار 6/0 آمپر استفاده مي كند.هر خروجي MOSFETبا يك فيوز و يك مدار حسگر جريان اضافي، محافظت مي شود.اگر يك خطا باعث شود جريان باربيش از حد از خروجي MOSFET كانال عبور كند، مدار حسگر جريان اضافي يك پرچم خطا مي فرستد و بطور اتو ماتيك براي حفاظت MOSFETو فيوز در برابر آسيب MOSFETرا قطع مي كند. سپس مشكل اضافه جريان حل مي شود،

خطا بوسيله نرم افزار ProccessSuite 4-mation Configuration برطرف مي شود يا بوسيله سوييچ Reset كه درقسمت جلوي پوشش SDM+قابل دسترسي است خطا برطرف مي شود . SDM+همچنين داراي سنسور هاي دماي بالا و پايين است كه اين وضعيت ها را از طريق 4-mation اطلاع مي دهد.

ترمينالهاي I/Oميدان با يكي از SDM Termination Strip، نصب شده در محل ،SDM Marshalled Termination Assemblyنصب شده دردور دست يا يك SDM Rail Termination Assemblyنصب شده دور دست ساخته مي شوند.

Redundancy ، SDM+ازنوع Rack- To-Rack است در اين نوع Redundancy ، Rackهاي دونسخه اي I/Oو ماژول هاي كنترل بكار رفته است كه ترمينان مشترك I/O مانند SDM Marshalled Termination Assemblyرا تقسيم مي كند.

از ويژگيهاي ديگر SDM+داشتن34 LED روي پوشش ماژول كه اطلاعات مربوط به وضعيت عمليات را ارايه مي دهند . بعلاوه 4-matio بصورت on-line گزارش خطا ها را اماده مي كند.

FIGURE 4-22 Standard Discrete Module (SDM+) and Associated Assemblies

 

FIGURE 4-23 SDM/CDM Fused Marshalled Termination Assembly

 

FIGURE 4-24 View of SDM Relay Marshalled Termination Assembly and SDM Rail Termination

توصيف مدار SDM

شكل 25-4 بلوك دياگرام ساده ايي از مدار SDM+ نشان مي دهد.و شكل 26-4 شماتيك يكي از 32 كانال I/O گسسته را نشان مي دهد.

• CPU (68302)

• حافظه RAM وROM

• واسط IOBUS

• 32 مدار گسسته استاندارد 24 ولت

• نشانگر LED: يك ACTIVE LED فعال بودن ماژول را نشان مي دهد.و OK LEDوضعيت ماژول را نمايش مي دهد.

مدارات كانال ورودي / خروجي

هر كانال ورودي مي تواند از فيلد سيگنال گسسته بخواند. هر كانال خروجي پيكربندي شده، ولتاژ و جريان خروجي به بار را تامين مي كند.هر كانال مي تواند حالت ورودي يا خروجي خودرا براي تاييد كردن عمليات درست و قابل قبول نمايش دهد.

منبع تغذيه ورودي خارجي:

كاربر يك منبع تغذيه I/O 24 ولت DC براي تامين توان مدارهاي I/Oايزوله شده ماژول و بار هاي فيلد فراهم مي كند. توانCPU ماژول و مدار پردازش سيگنال از تابلوي پشت MODULRAC تامين مي شود (24V) .

FIGURE 4-25 SDM+ Block Diagram

 

FIGURE 4-26 Typical SDM+ I/O Channel

سيستم APACS داراي ماژولهاي متنوع ارتباطي (Communication Module) و ماژولهاي توان (Power Module) مي باشد كه به علت وسعت مطالب از توضيح در مورد آنها صرف نظر مي كنيم.

[.sOuDeH. 16059]

فصل پنجم - سيستمهاي SCADA

 

1-6 SCADA چيست؟

SCADAيا Supervisory Control And Data Acquisition از اصول كلي سيستمهاي DCS پيروي مي كند.گرچه هردو سيستم بر پايه يك هدف بنا شده اند. تفاوتهاي عمده اي نيز باهم دارند از جمله اين تفاوتها مي توان به نوع كاربرد و كارآيي اين سيستمها اشاره كرد.سيستم SCADA همانطور كه از نام آن پيداست يك سيستم كنترل كامل نيست بلكه جهت ارائه مديريت نظارت و بررسي بركنترل و جمع آوري اطلاعات طراحي شده و اهداف اوليه و طراحي و توليد آن عبارتند از مونيتورينگ، مديريت در تصميم گيري در كنترل و اعلام اخطار و آلارم در مواقع مورد نياز از طريق يك مركز واحد مي باشد.

هسته اصلي اين سيستم بسته هاي نرم افزاري حرفه اي هستند كه برروي سخت افزار ها استاندارد و مشخصي از قبيل PLC ها وياRTU( (Remote Terminal Units قرار گرفته اند.

سيستم SCADAعلاوه بر كاربرد در فرايندهاي صنعتي مانند توليد و توزيع برق ( به شيوه هاي مرسوم يا هسته اي) ،ساخت فولاد، صنايع شيميايي،صنايع آب ،گاز و نفت در بعضي از امكانات آزمايشي مانند فوزيون هسته ايي نيز كاربرد دارد.اندازه اينچنين تاسيساتي از 1000تا چندين ده هزار كانال I/O مي باشد. و با كمك شبكه ها و سيستمهاي مخابراتي منطقه وسيعي را تحت بازرسي ونظارت قرار مي دهد.

سيستمهاي SCADA بر روي سيستم عاملهاي DOS،VMSو UNIXقابل اجرا هستند در سالهاي اخير همه سيستم هاي SCADAبه سمت سيستم عامل NT و بعضي هم بسمت Linuxگرايش پيدا كرده اند.

2-6 معماري SCADA

اين بخش ويژگيهاي مشترك در تمام سيستمهاي SCADAرابيان مي كند.

1-2-6 معماري سخت افزار

دو لايه اصلي در سيستم SCADAعبارتند از:Client Layer كه يك تقابل بين انسان و ماشين فراهم مي كندو Data Server Layerكه اغلب داده هاي پروسه هاي كنترل را اداره مي كند.

Data Serverبا تجهيزات ميدان (Field) ارتباط برقرار مي كنندوكنترلرهاي پروسه و PLCمستقيما و يا از طريق شبكه ها يا فيلد باسها ي اختصاصي (siemens H1) و يا غير اختصاصي (Profibus) به آن متصل مي شوند.

Data Serverها يا به يكديگر يا از طريق شبكه اترنت (Ethernet LAN)

به ايستگاهاي Clientمتصل مي شوند.شكل 1-2 نوعي از معماري سخت افزار را نشان مي دهد.

 

Figure 2-1

2-2-6 معماري نرم افزاري

نرم افزار هاي سيستم SCADA بر پايه تكنولوژيهاي Multitasking و Real Time استوار شده است وسيستم بانك اطلاعاتي آن نيز RTDB(Real-Time Data Bus)،نام دارد كه برروي يك يا چند Server همزمان پياده سازي و اجرا مي شودServer سيستم وظيفه پاسخگويي به اعمال مشخص مانند: polling controllers،alarm checking،calculation،logging and archiving) را بر عهده دارند.

در عين حال امكان تخصيص يك Server به اعمال خاصي مانندAlarm checking،datalogger،historian وجود دارد.

شكل 2-2 يك نوع از معماري نرم افزاري SCADAرا نشان مي دهد.

 

3-6 ارتباطات

ارتباطات داخلي

ارتباط Server-Client و Server- Server بر پايه event-drivenاست و از پرو تكل TCP/IPاستفاده مي كنند.

دستيابي به تجهيزات

ارتباط بين field و client از طريق روشهاي polling انجام مي شود. بدين ترتيب كه Data Server پارامتر مورد نظر خود را از كنترلر در خواست كرده وآنرا مي خواند، كنترلر نيز در اين زمان پارامتر مورد نظر را به Server ،Pass مي كند.سرعت polling براي پارامترهاي مختلف، متفاوت است.

سيستم SCADA براي اغلب PLCهاي مشترك درايور هاي ارتباطي فراهم مي كند و در بسياري موارد از FieldbusesوModbus استفاده مي شود.

از سه نوع Fieldbuses متداول از Profibusو Worldbusپشتيباني مي شود امادر بسياري موارداز CANbus پشتيباني نمي شود.

يك Data serverمي تواند از چندين پروتكل ارتباطاتي پشتيباني كندواسلاتهايي براي اضافه كردن كارتهاي واسط دارد.

4-6 واسط ها (Interfacing)

نرم افزار سيستم SCADA واسط هاي زيررا براي ارتباط با كاربرفراهم مي آورد:

• يك واسط Open Data Base Connectivity(ODBC) براي داده در Logs/Archive ، اما پيكر بندي بانك اطلاعاتي را انجام نمي دهد

• يك ASCIIآسان براي پيكربندي داده ها

• يك كتابخانه APIs كه از زبانهاي C،C++وويژوال بيسيك (VB)براي دستيابي به اطلاعات در RTDB،logs/archive پشتيباني مي كند.API اغلب دستيابي به مشخصه هاي داخلي SCADAمانند اداره الارم ، گزارشگيري و غيره را فراهم نمي كند.

PC سيستم APACS پشتيباني از استاندارد هاي ماكروسافت مانند DDE (Dynamic Data Exchange) كه اجازه رويت اطلاعات در صفحه گسترده EXCEL،DDL(Dynamic Link Library)و Embedding) OLE(Object Link and فراهم مي كند.

Scabality (قابليت گسترش)

Scabality به معني امكان گسترش سيستم كنترل مبني بر SCADAدر موقع لزوم با اضافه كردن سرور هاي ويژه ، ايستگاههاي Clientو تعداد متغيرهاي نرم افزاري و سخت افزاري تحت كنترل است.SCADAبوسيله داشتن چندين Data Server متصل به چند كنترلر به Scabality دست مي يابد.

هر Data Serverپيكربندي بانك اطلاعاتي و RTDB مخصوص به خود داردو عهده دار اداره يك sub-setاز متغيرهاي پروسه است (اداره الارم ها و بايگاني داده ها)

5-6 Redundancy

مركز كنترل SCADA ، به لحاظ اهميت فرايند تحت كنترل ، بصورت Redundant پياده سازي مي گردد. بدين صورت كه جهت افزايش تحمل پذيري سيستم ، به ازاي هر جزء يا برخي از اجزاي كليدي ، اعم از سخت افزار يا نرم افزار، يك يا چند جزء Stand by اضافه مي گردد و در صورت بروز خطا در جزء اصلي، قسمت Stand by ، ادامه فعاليت را به عهده مي گيرد سيستمهاي Stand by به سه دسته تقسيم مي شوند:

Cold Standby

Warm Standby

Hot Standby

به عبارت ديگر در صورت بروز برخي حوادث نا خواسته ، كار سيستم ، مختل نمي گردد. بلكه با درجه كمتري از كارايي(Graceful Degradation) استفاده مي شود.

MMI:

SCADA معمولا انواع مختلفي از صفحات نمايش مانند نمودارهاي هاي خطي – ستوني ويا ليستهاي مرتبط با متغيرها را در اختيار كاربر قرار مي دهد. نوع ديگري از اين صفحات نمايش نوع گرافيكي است كه توسط ابزار هاي گرافيكي نرم افزاري در محيط هاي خاصي توليد شده و به متغير هاي تحت كنترل متصل مي شوند كه در نتيجه مي توان تغييرات هر يك از پارامترهاي اندازه گيري شده توسط ابزارها موجود در field را كه باعث تغييرات متغيرهاي نرم افزاري در RTDB مي شوند بصورت on-line تحت يك شكل گرافيكي ديد.

Alarm Handing:

هر اتفاقي كه باعث تغيير وضعيت يكي از اجزا تحت كنترل گردد يك رويداد ناميده مي شود رويدادهايي كه نياز به اعلام به اپراتور و عكس العمل وي را داشته باشد آلارم ناميده مي شود. آلارم علاوه بر ثبت در فايل ، منجر به ايجاد فعاليتهاي ديگر نظير چاپ بر روي چاپگر ، ايجاد آژير صوتي و چشمك زدن شي مورد نظر و... مي گردد.

Alarm handing اعمال مربوط به درك وضعيت اضطراري و توليد سيگنال آلارم را برعهده داردكه در يك Data Server انجام مي گيرد.

آلارمها از نظر منطقي بصورت متمركز اداره مي شوند، اطلاعات فقط در يك محل وجود دارند و همه كاربران وضعيت هاي مشابه مي بينند، و چندين آلارم بر اساس سطوح اولويت و اهميت پشتيباني مي شوند.

Logging/Archiving

Logging/Archiving به جمع آوري اطلاعات مربوط به سطوح دسترسي كاربران در زمانهاي مشخص به منابع سيستم مي پردازند و اين اطلاعات را به شكل يك فايل Archive نگهداري مي كنند.ثبت رويداد ها مي تواند به عنوان ذخيره ميان مدت داده روي ديسك صورت گيرد در حاليكه نگهداري و بايگاني اطلاعات در بلند مدت روي ديسك ذخيره مي شود.

ايجاد گزارش

SCADAبا استفاده از SQLگزارشهايي را براي Archive،RTDBيا Logsفراهم مي كند.با وجود اينكه درج جدولهاي ‌EXCELدر گزارش ا مكانپذير است اما قابليت “cut and paste” بطور كلي فراهم نشده است. امكانات موجودقادر به ايجاد ،چاپ و آرشيو (بايگاني) گزارش ها به طور اتوماتيك هستند.

[.sOuDeH. 16059]

فصل ششم - سيستمهاي فيلد باس ومقايسه آنها با سيستمهايDCS

 

 

1-7 مقدمه

در اوايل دهه 1960 ادوات وكنترلر هاي الكترونيكي جايگزين كنترلرهاي نيوماتيكي شدند كه از مزاياي اين كنترلر هامي توان سرعت و دقت زياد و كم حجم بودن آنها را نام برد. طولي نكشيد كه كامپيوترهاي ديجيتال كه قابليت پردازش لوپها ي كنترلي را داشتند، جايگزين كنترلرهاي الكترونيكي شدند. كامپيوتر مركزي پس از دريافت تمام متغير هاي پروسسي از طريق وروديها و دستورات صادره توسط اپراتور از طريق صفحه كليد ، آنها را طبق برنامه كنترلي از قبل نوشته شده پردازش و نتايج اين پردازش را از طريق خروجيها به محركهاي نهايي كنترل اعمال مي كنند. اين نوع كنترل اصطلاحا DDC (Direct Digital Control) ناميده مي شود و در آن اپراتور توسط يك صفحه كليد و يك نمايشگر VDU(Visual Display Unit) با سيستم ارتباط بر قرار مي كند. كامپيوتر مركزي قابليت پردازش حجم زيادي از متغير هاي زماني وپروسسي را دارد ولي با افزايش بيش از حد اين اطلاعات، سرعت و كارايي كامپيوتر پايين آمده و به كامپيوتري با ظرفيت و سرعت زياد نياز مي شد و اگر كامپيوتر مركزي از كار مي افتاد باعث از كار افتادن كل سيستم كنترلي و پروسس مي شد.

DCS در واقع تكميل شده و توسعه يافته سيستم كنترل مركزي يا همان DDC مي باشد، كه سطوح مختلف كنترلي در آن بيشتر و تكميل تر مي باشد. در اين سيستم متغير هاي اندازه گيري شده توسط سيگنالهاي آنالوگ (ولتاژ،جريان و...) به كارتهاي ورودي DCS منتقل و اين سيگنالها پس از تبديل به معادل ديجيتال جهت پردازش وارد سيستم مركزي كنترل مي شوند و در رابطه با سيگنالهاي خروجي نيز نتايج پردازنده مركزي كنترل بصورت ديجيتال به كارتهاي خروجي ارسال و در آنجا پس از تبديل اين سيگنالها به آنالوگ،به محرك ها اعمال مي شوند. در پايين ترين سطح اين سيستم (Process Controller) كار اندازه گيري متغير هاي پروسسي، كنترل لوپها توسط كنترلر هاي ميكروپروسسوري، اجراي Logic ها ، جمع آوري اطلاعات و آناليز آنها ، محاسبات و ارتباط با وسايل و ادوات ديگر انجام مي شود .

كارهاي انجام شده در پايين ترين سطح توسط اپراتورها قابل كنترل بوده و توسط يك Supervisor مشاهده و قابل ثبت مي باشد. در سيستم DCS از كار افتادن هريك از قسمتهاي كنترلي تاثير آنچناني بر پروسه كنترلي نداشته است و حتي با از كار افتادن سطوح بالا، سطوح پايين كه شامل Process Controller ها مي باشد، مي تواند كار كنترلي را ادامه دهد. در DCS سيگنال راه اندازه گيري شده و سيگنال ارسالي به ادوات توسط يك جفت سيم به ورودي و خروجيهاي Process Controller وصل مي شوند و ارتباط اين سطح باسطوح ديگر از طريق بزرگراههاي اطلاعاتي و شبكه خاص خود سيستم

(Data Highway & Plant Network) صورت مي گيرد و باعث كاهش هزينه سيم كشي و امكان اضافه نمودن ادوات بيشتر و ارتباط ادوات اضافه شده با ادوات موجود از طريق اين بزرگراههاي ارتباطي را مي دهد و بدين ترتيب توسعه سيستم آسانترو با كمترين هزينه صورت مي گيرد.

 

Figure 7-1:Control Systems' Evolution

اساس كار كنترلرهاي ‍PLC ميكروپروسسوري بوده و شبيه سيستمهاي كنترل مركزي و DCS عمل مي كنند ولي با قابليت هاي محدودتر و كمتر.

اين نوع كنترلر ها جهت كنترل قسمتي از پروسس واحد كه مي تواند مستقل از كل واحد كار كرده و پروسه پيچيده اي ندارد، بكار رفته و جايگزين رله ها و تايمرهاي الكترومكانيكي شده و جهت اجراي برنامه هاي ترتيبي(Sequential) و گسسته (Discrete System) استفاده مي شوند. با وجود پيشرفتهاي زيادي كه تا كنون در زمينه ساخت و بكارگيري سيستم هاي كنترلي صورت گرفته ولي كنترلرهاي PLC هنوز كاربرد داشته و همراه سيستمهاي جديد بخشي از واحد پروسسي را كنترل مي كنند.

2-7 نحوه عملكرد سيستم كنترل FCS در مقايسه با DCS

1-2-7 معرفي سيستم كنترل Fieldbus

FCS) Fieldbus Control System) جديدترين تكنولوژي سيستم كنترل دردنيا مي باشد ، كه بعد از DCS به بازار آمده است. استاندارهايي در ارتباط آنالوگ(4-20mA و يا 1-5V ، براي سيگنال الكترونيكي و 3-15psi براي سيگنال نيوماتيكي) جهت انتقال سيگنال كنترل و ابزارهاي اندازه گيري ، از ادوات فيلد به اتاق كنترل وجود دارد. اما Fieldbus يك ارتباط ديجيتال با پروتكل خاص خود مي باشد. اين پروتكل متفاوت با ساير پروتكل ها مي باشد، زيرا در پروتكل هاي ديگر هدف فقط انتقال اطلاعات بوده ولي در طراحي پروتكل FCS اهداف كنترلي و كاربرد فرايند هاي فرايندي منظور شده و هدف صرف ارتباط ديجيتال نمي باشد.

بحث ارتباط هوشمند در اواسط دهه 80 ، تحول مهمي در زمينه ارتباط ديجيتال ايجاد كرد. به بيان ساده ، Fieldbus يك شبكه ارتباطي دو طرفه سريال و تمام ديجيتال با پروتكل Multi-drop ما بين ادوات و وسائل ابزار دقيقي هوشمند فيلد

(Intelligent Field Device) همچون سنسورها (Sensors) ، عملگرها (Actuators) ، ترانسميترها (Transmitters) و... با كنترلر و كنترل مركزي مي باشد و هدف در اين سيستم توزيع كار كنترلي و استراتژي كنترل در كل ادوات فيلد مي باشد.

IEC(International Electrotechnical Commission) پروتكل هاي زير را براي فيلد باس معرفي كرده است:

• Foundation Fieldbus and HSE

• Controlnet

• Profibus and Profinet

• P-NET

• WordFIP

• INTERBUS

• SwiftNet

Foundation Fieldbus) FF) از استاندارهاي معروف فيلد باس است كه در سال 1994 جهت اهداف زير معرفي شدو اين بخش به تو ضيح در مورد اين استاندارد اختصاص دارد:

1.ترقي دادن فيلد باس و گسترش آن هم براي راحتي مصرف كننده و هم براي توليد كننده

2.رسيدن به يك استاندارد مناسب و هماهنگ

 

Figure 2-1

به دليل سرعت تحولات و پيشرفت صنعت، بخصوص صنعت كنترل، سريع بوده و روز به روز سيستمهاي پيشرفته تري توليد مي شود و سيستم هاي قبلي و قديمي

(Pneumatic&DCS) از رده خارج مي شوند، لذا از نظر آينده نگري و خصوصا از نظر اقتصادي طبيعي. منطقي به نظر مي رسد كه بجاي انتخاب سيستمي كه در حال از رده خارج شدن مي باشد و در سه يا چهار سال آينده مشكل قطعه يدكي و سرويس دهي از طرف سازندگان را خواهد داشت، سيستمي را انتخاب كرد كه حداقل با اين سرعت پيشرفت تا دو دهه ديگر نگراني مشكلات تعويض و از رده خارج شدن را نداشته باشد.

شبكهFieldbus شبيه LAN بوده و تركيبي از سگمنتها مي باشد و هر سگمنت به يك كارت كنترلي به نام H1 متصل مي باشد و قابليت اتصال چند وسيله ابزار دقيقي را فقط با يك جفت سيم فراهم مي كند وجايگزين سيستم

Tranditional point-to- point) 4-20mA) شده است كه براي هر تجهيز فيلد يك جفت سيم بكار مي رود.

سيگنال Fieldbus به وسيله سوار شدن بر روي يك ولتاژ مستقيم كه وظيفه تغذيه ادوات Fieldbus را دارد، منتقل مي شود. انجام اين كار بوسيله دستگاهي به نام

Power Condition كه مابين منبع تغذيه و شبكه Fieldbus قرار دارد، صورت مي گيرد و كنترل اين تبديل از طريق سيستم برنامه ريز گذرگاه به نام

LAS(Link Active Scheduler) انجام مي شود. سيگنالهاي FCS با استفاده از يك تكنيك خاص، تبديل به كد مي شود. اين سيگنال “ سيگنال سنكرون “ ناميده مي شود.

2-2-7 مدل مرجع OSI) Open system Interconnect)

لايه هاي مدل OSIدر شكل 2-2 نشان داده شده است،در فيلد باس سه لايه هاي 3,4,5,6 از مدل مرجع OSI حذف شده است و مورد استفاده قرار نمي گيرد و همچنين لايه كاربر نيز در مدل OSI نبوده در حاليكه در مدل تعريف شده براي فيلد باس وجود دارد بنابراين تكنولوژي فيلد باس شامل سه لايه است:

1)لايه فيزيكي

2) لايه پشته ارتباطات

3)لايه كاربردي

1-لايه فيزيكي :اين لايه مكانيسمي براي ارسال و دريافت سيگنالهاي الكتريكي بين قطعات فيلد باس مي باشد كه اطلاعات در قالب منتطق 0 و 1 از يك نقطه شبكه به نقاط ديگر ارسال مي شد. اين لايه اطلاعات را ازلايه پشته مي گيرد. سپس به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند و روي باس قرار مي دهد و بالعكس.

2- لايه پشته ارتباطات(DLL):

لايه تنظيم اطلاعات و تعيين تقدم و صف بندي اطلاعات را برعهده دارد. اين كار توسط قسمتي به نام LAS(Link Active Scheduler) انجام مي گيرد.

LAS شامل ليستي از نوبت بندي ارسالي از تمام قطعات فيلد باس مي باشد كه مي بايست اطلاعات خود را ارسال نمايند. هنگاميكه زمان ارسال اطلاعات يك ابزار فرا مي رسد LAS يك پيغام Compel Data به آن ابزار ارسال مي كند. پس از دريافت CD ، آن ابزار بافر خود را به تمامي قطعات فيلد باس ارسال مي كند.

LAS مي تواند پيغام ديگري به نام PT(Pass Token)را نيز به ابزارات فيلد باس ارسال نمايد در اين حالت وسيله اي كه PT را دريافت كرده است اجازه دارد تا زمانيكه كارش تمام شود يا حداكثر زمان نگهداري پايان يابد اطلاعات خود را ابزارات ديگر فيلد باس ارسال نمايد.

دو زير لايه FAS و FMS(Fieldbus Message Specification)نيز بر روي DLL قرار دارند.

3-لايه كاربر:

اين لايه شامل بلوك هايي است كه هر يك از اين بلوكها معرف توابع كاربري خاصي هستند كه در ادامه اين بخش توضيحات مختصري درباره اين بلو كها داده خواهد شد.

فيلد باس را مي توان به سه دسته زير تقسيم كرد:

Low-Speed Fieldbus) FF-H1)

High-Speed Fieldbus) FF-H)

High- Speed Ethernet) HSE)

Foundation Fieldbus H1 ، با سرعت انتقال داده 31.25KHz، براي اجراي بيشترين الگوريتم كنترل ،باندازه كافي سريع نيست.براي اين منظور،يك لايه ارتباطي سريعتر داخل Foundation Fieldbus وجود دارد: كه آن فيلدباسهاي بر مبناي Fast-Ethernet مي باشد. اما فيلدباس H1،در برخي كاربرد ها با موفقيت عمل مي كند.

3-2-7 توپولوژيهاي فيلدباس

چندين توپولوژي ممكن براي شبكه فيلد باس وجود دارد.اين بخش تعدادي از توپولوژيهاي ممكن را نشان داده و در مورد خصوصيات هر يك توضيحاتي داده است.شكل 3-2 چهار توپولوژي را نشان مي دهد كه در زير در مورد هركدام شرح داده مي شود:

Daisy-Chain

Tree Topology

Point to Point

Spur Topology

 

Figure 2-2

Daisy Chain Topology

اين توپولوژي به معني اتصال چند وسيله فيلد به يك خط Trunk به صورت سري، بدون داشتن ارتباط شاخه اي يا گرفتن T مي باشد دراين نوع از توپولوژي امكان اضافه و يا كم كردن ادوات بطوريكه ديگر ادوات از سرويس خارج نشوند وجود ندارد و به همين دليل از اين توپولوژي به ندرت استفاده مي شود.(شكل 3-2)

 

Figure 2-3

Tree Topology

اين توپولوژي زماني بكار برده مي شود كه چند وسيله ابزار دقيقي از نظر فيزيكي كاملا نزديك هم با شند. ارتباط اين چند وسيله مستقيما توسط ارتباط Trunk از FCS Junction Box نزديك ادوات ، به كارت H1 صورت مي گيرد.(شكل4-2)

 

Figure 2-4

Spur Topology

اين توپولوژي ممكن است زماني بكار رود كه چند وسيله در يك مسير ( نه ضرورتا نزديك هم) قرار گرفته باشند. خط ‏Trunk(شاه سيم) از Host شروع و تا آخرين وسيله فيلد ادامه پبدا مي كند و هر يك از ادوات توسط ارتباط T به اين خط وصلمي شوند.(شكل 5-2)

 

Figure 2-5

Point-to-Point Topology

اين توپولوژي شامل يك سگمنت است كه تنها دو تجهيز دارد.و مطابق شكل زير است.(شكل 6-2)

 

Figure 2-6

شكل زير تركيبي از چهار توپولوژي ذكر شده نشان مي دهد:

 

Figure 2-7

با توجه به تعاريف فوق بهترين نوع اتصال ادوات FCS توپولوژي Tree مي باشد. به دلايل قيد شده در ذيل ، تعداد ادوات قابل اتصال به هر Segment محدود مي باشد. كيفيت سيگنال با افزايش تعداد ادوات متصل به يك سگمنت در مجموع طول كابل افزايش مي يابد ، اين طول تبايد بيشتر از 1900 متر و حداكثر طول يك Spur (در عمل) نبايد بيش از 120 متر باشد و اين طول در كيفيت سيگنال تاثير دارد. جريان و ولتاژ اعمالي توسط منبع تغذيه ، ولتاژ دريافتي هروسيله بايد مابين 9 تا 32 ولت مستقيم باشد. تعداد ادوات واقع در هر سگمنت FCS نيز وابسته به منبع ولتاژ منبع تغذيه ، مقاومت خط و جريان مصرفي ادوات محدود مي شود . انتها ي هر كابل با يك Terminator با امپدانس 100Ω محدود مي شود.

اين امر كابل اينسترومنتي را به عنوان يك مسير انتقال متعادل جهت انتقال يك سيگنال با فركانس نسبتا بالا با كمترين اعوجاج و نويز ممكن مي سازد.

ادوات Fieldbus مجهز به سيستم ميكروپروسسوري بوده و مي توانند بخشي از كار كنترلي را به عهده بگيرند. اين عمل با بارگذاري بعضي از توابع كنترلي (Function Block)FB در حافظه اين ادوات ممكن مي گردد. اين بلوك ها در مجموعه اي به نام

Function Block Library قرار داده شده اند و به عنوان ابزاري قدرتمند در رسيدن به اهداف كنترل فرايند به كار گرفته مي شوند. هرچه تعداد اين بلوك هاي بازگذاري شده در ادوات يك سگمنت بيشتر باشد، به همان نسبت حجم اطلاعات ارسالي و دريافتي بيشتر و در نهايت پردازش آنها زمان بر خواهد بود.

زمان اجراي عمليات كنترلي در هر لحظه ، فاصله زماني ورود يك سيگنال از يك ورودي آنالوگ تا خروج سيگنال از يك خروجي آنالوگ در يك حلقه كنترلي مي باشد. براي هر سگمنت يك بازه زماني تعريف مي شود كه اين بازه بايد براي اجراي عمليات كنترلي و جابجايي كليه اطلاعات موجود برروي آن سگمنت كافي باشد. واضح است كه هر چه تعداد ادوات در يك سگمنت زياد باشد به زمان زيادي جهت اجراي عمليات كنترلي و جابجايي اطلاعات نياز خواهد بود.

براي بالا بردن ضريب اطمينان(Risk assessment) و بخاطر اينكه در مواقع بروز مشكل براي يك وسيله ، حلقه هاي كنترل زيادي از سرويس خارج نشوند، براي هر سگمنت فقط يك حلقه كنترل در نظر مي گيرند و بقيه ادوات متصل به سگمنت كار غير كنترلي داشته و يا به عنوان Indicator بكار بردن مي شوند. در نتيجه در تعداد ادوات اتصالي به يك سگمنت محدوديت وجود خواهد داشت. كارتهاي ورودي/ خروجي سريال (Serial I/O) در FCS كه كارتهاي H1 ناميده مي شوند، جايگزين كارتهاي ورودي/ خروجي 4-20mA

(Traditional I/O) در DCS شده اند. كارتهاي H1 كا ارتباط ادوات فيلد را با شبكه FCS بر قرار مي كنند،نياز به مارشالينگ كابينت و سيم بندي خاصي ندارند و در حال حاضر مي توان تا 16 دستگاه از ادوات فيلد را به آن وصل نمود، ولي هيچكدام از سازندگان Fieldbus قرار دادن بيش از 10 دستگاه از ادوات فيلد را توصيه نكرده و تضمين نمي كنند.

[.sOuDeH. 16059]

3-7 مقايسه DCS & FCS و مزايا و معايب آنها نسبت به يكديگر:

FCS براي راهبري اهداف كنترلي از FB هاي استاندارد شده مانند AI (Analog Input)،AO Analog Outputو ‍PID استفاده مي كند. همانطور كه گفته شد اين FB ها در حافظه ادوات فيلد بارگذاري مي شوند. با اين عمل سيستم كنترل از اتاق كنترل به فيلد منتقل گشته و به تبع آن باعث كاهش سخت افزار مي گردد.(شكل 1-3)

 

Figure 3-1:Function Block

با اينكه ادوات كنترل پروسسي داراي پايداري بالاو احتمال خراب شدن آنها كم مي باشد، ولي با اين وجود اين احتمال وجود دارد و مي توان در طراحي سيستم كنترل اين خطا را تا حد زيادي كاهش داد: اولا با ايجاد سطوح مختلف كنترلي و قرار دادن ادوات تك در پايين ترين سطح، ثانيا ايزوله كردن آنها از سطوح بالاتر توسط Barrier يا Isolator جهت جلوگيري از انتقال خطا به سطح بالاتر، ثانيا قرار دادن اغلب سخت افزارهاي سطوح بالاتر بصورت Redundancy .(شكل2-3)

 

Figure 3-2

براي فيلد باس H1 جداسازي خطاي سيم بندي بكار رفته است. بدين معني كه جهت اطمينان بيشتر ادوات در چندين شبكه (H1 Segment) مستقل تقسيم مي شوند كه در صورت بروز خطا در ادوات يك لوپ، فقط در همان شبكه H1 اين خطا محدود مي شود. كه البته اخيرا كارتهاي H1 نيز به صورت Redundancy طراحي و توليد شده است.

مهمترين سوال اين است كه در صورت قطع سيمي كه تا ده وسيله به آن وصل است چه اتفاقي مي افتد؟

در صورت بروز خطا در يك كارت ورودي / خروجي (4-20mA I/O Card) سيستم DCS كه اغلب Redundant نيز مي باشد، باعث از سرويس خارج شدن آنها مي شود و اين روند در FCS نيز با قطع يك جفت سيم وجود دارد كه در صورت قرار گرفتن حتي شانزده وسيله(هشت لوپ) در يك سگمنت(H1) هر هشت لوپ از سرويس خارج خواهد شد، كه اين درمقوله از پايداري نسبت پايداري هردو يكسان مي باشد. بطور خلاصه اينكه با بروز يك خطا در هر دو سيستمFCS و DCS احتمال از سرويس خارج شدن هر هشت لوپ وجود دارد. در DCS جهت لوپهاي حساس و مهم اغلب كارتهاي

Redundant I/O در نظر مي گيرند و در صورت بروز خطا در سيم واقع شده در فيلد يك لوپ از سرويس خارج مي شود كه اين كار در FCS نيز با قرار دادن تعداد كمتري از لوپهاي مهم (حداكثر دو لوپ) در يك شبكه FCS(H1 Redundancy) امكان پذير بوده و از اين لحاظ نيز مشاهده مي شود كه ضريب پايداري(در صد خطا) همچون DCS مي باشد.

در صورت عدم استفاده از كارتهاي H1 به صورت Redundant ، جهت بالا بردن ضريب اطمينان و ايمني ، تركيب I/O ها طوري در نظر گرفته مي شودكه در هر كارت H1 بيش از يك لوپ كنترلي- شامل يك Control Valve و يك ترانزميتر قرار نگرفته باشد و ساير I/O هاي باقيمانده در كارت H1 به منظور كارهاي غير كنترلي يا نشان دهنده استفاده مي شود. با طراحي و توليد كارت H1 به صورت Redundant و گذرندن مراحل تست و اخذ تاييديه كميته FCS مي توان تعداد لوپها ي كنترلي در نظر گرفته شده در يك كارت H1 و يك سگمنت را تا دو لوپ كنترلي افزايش داد.

مهمترين مزيتي كه تجهيزات فيلد در FCS دارند اين است كه در صورت بروز خطاي خروجي آن وسيله به حالت Fail Safe رفته و فرمانهاي متناسب با شرايط مستقل از اپراتور و كنترلر مركزي را صادر مي كند و ممكن است به حالت از قبل مشخص شده رفته و يا در موقعيت مطمئن ( يا آخرين مقدار) قرار گيرد ، و اين عمل (Fail safe) ممكن است در صورت بروز خطا در سنسور، خود وسيله ويا ارتباط وسيله با كنترل مركزي صورت گيرد و تمام اين خطا ها به اپراتور گزارش مي شود (حتي قطع هواي ابزار دقيق ارسالي به سر Control Valve) . در DCS اين قابليت ها محدود بوده و در صورت بروز خطا مثلا در ترانسميتر ممكن است حداكثر يا حداقل را در خروجي قرار دهد كه از قبل بايستي توسط يك سوئيچ سخت افزاري در آن تنظيم شود.

 

Figure 3-3

مزاياي ديگر عبارتند از:

 كاهش تعداد Barrier هاي مورد استفاده در داخل كابينت ها.

كاهش سيم كشي و سيم بندي در داخل كابينت ها و درفيلد و به تبع موارد فوق كاهش حجم كابينت هاي مارشالينگ (Marshaling Cabinets) كنترل ((Control Cabinet نسبت به DCSو DDC.

 كاهش سيم كشي در فيلد و به تبع آن كاهش متعلقات سيم كشي شامل Tray،Boxو...

 صرفه جويي در هزينه و كاهش زمان نصب سيستم كنترلي و ادوات فيلد

 زمان Commissioning&Start-up در صورت صحيح بودن طراحي FCS تا يك هشتم مشابه ازنوع‌Conventional نيز كاهش مي يابد.

 اعمال تغييرات Configuration سيستم Analog/Digital 10% سريعتر از سيتم آنالوگ مي باشد.

 خاصيت Interoperability ادوات FCS: قابليت بكار بردن ادوات مختلف فيلد باس در يك سيستم ، بطور مستقل از كارخانه سازنده، بطوريكه كوچكترين تغييري در عملكرد و آرايش همان سيستم ايجاد نشود. به دليل خاصيتInteroperability مي توان در خريد قطعات و توسعه واحد، اين قطعات را بابالا ترين كيفيت و قيمت نازل انتخاب كرد. اين امر بدليل كثرت توليد كنندگان و رقابت بين شركتهاي سازنده FCS مي باشد. جهت اضافه كردن يا بكار بردن ادوات سازندگان متفاوت در يك شبكه FCS،( بدون كم شدن از قابليت ها و توابع آن وسيله) نياز است تا برنامه اي از طرف سازندگان به خريدار ارائه گردد، كه اين برنامه به زبان DDL (Device Description Language) نوشته شده و قابل اجرا در تمام سيستمها ي كنترل مركزي FCS بوده و تمام اطلاعات لازم جهت شناساندن وسيله به كنترل مركزي Host را شامل مي شود. اين اطلاعات ابزاري براي كاليبره و عيب يابي وسيله بوده و شامل تمام بلوك هاي استاندارد مي باشد و همواره از طرف سازندگان، ويرايش جديد آن توسط افزودن توابع جديد به ادوات نصب شده قبلي ارائه مي شود.

 بنا به دلايلي كه در بالا قيد گرديد نيازي به نگراني بابت تهيه قطعات يدكي و انبار كردن آنها نمي باشد ، در نتيجه هزينه صرف شده بابت خريد Spar Part را مي توان تقليل داده و از انبار كردن قطعات اضافي صرف نظر كرد.

 قابليت توسعه و تغيير در اين سيستم (FCS) خيلي آسان بوده و نياز به كارتهاي I/O سيم بندي جديد، اضافه كردن فضاي داخل كابينت ها ، كارتهاي مبدل و .... نمي باشد.

 به توجه به دومورد اخير كه يكي از مهمترين مزاياي سيستم كنترلي FCS مي باشد، نيازي به خريد يك سيستم براي مجتمع هايي كه برنامه توسعه داشته باشند يا برنامه نصب آنها به تدريج صورت مي گيرد، نمي باشد. زيرا سيستم FCS قابليت رشد و توسعه در اندازه بزرگ را نيز دارا مي باشد.

 به دليل اطلاعات ديجيتالي و Handshaking كه با ادوات فيلد دارد، ديد وسيعي را نسبت به اين ادوات داشته و سيستم يكپارچه اي را تشكيل مي دهد.به عبارت ديگر در سيستم كنترلي DCS اطلاعات كنترلي كافي،ولي اطلاعات مديريتي نسبت به سيستم FCS كمتر مي باشد. ولي در سيستم كنترلي FCS علاوه بر اينكه اطلاعات كنترلي بيشتر از DCSبوده بلكه اطلاعات مديريتي خيلي بيشتر از DCS مي باشد، و در كل از ديدگاه مديريتي FCS نسبت به DCS، ديد وسيع و بيشتري را از نظر اطلاعاتي به مديريت مي دهد.

 ضمنا جهت بدست آوردن ضريب تصحيح و اعمال آن در اندازه گيري، لازم است تا دو متغير همزمان(فشار يا دبي همراه با دماي سيال) اندازه گيري شوند. با توجه به قابليت Multi-Variable ترانسميترهاي FCS،صرفه جويي قابل ملاحظه اي در خريد و نصب ادوات اندازه گيري مي توان انجام داد.

 در FCS علاوه بر سيگنالهاي اندازه گيري شده، اطلاعات كاملي از دستگاه نصب شده در فيلد در اختيار اپراتور قرار مي گيرد. اين اطلاعات شامل: زمان تغيير دستگاه طبق تشخيص خود دستگاه(Self Diagnostic)، اطلاعات كاليبراسيون شامل جدول زمانبندي و اطلاعات داده شده به خود دستگاه شامل : محل،زمان، روش،شخص كاليبره كننده و...،شرايط محيط،وضعيت PV, MV، به عهده گرفتن قسمتي از كار كنترلي توسط بلوك هاي (Function Block) كارهاي ديگر مي باشد

با استفاده از بلوكهاي توابع استاندارد شده (Standard Function Block) SFB و انتقال آنها با استفاده از بلوكهاي توابع استاندارد (SFB) و انتقال آنها با استفاده از تكنولوژي FCS به فيلد و واگذاري بخشي از كارهاي كنترلي به ادوات فيلد ، بار كنترلي در اتاق كنترل و حجم اطلاعات تبادلي از ادوات فيلد با اتاق كنترل ،كاهش يافته كه يكي ديگر از مزاياي سيستم FCS به شمار مي رود.

 

Figure 3-4

معايب فيلد باس

يكي از معايب بزرگ فيلد باس گراني ابزارات دقيق آن مي باشد كه انتظار مي رود در آينده نزديك قيمت اين ادوات كاهش يابد.

يكي ديگر از معايب فيلد باس محدود بودن تعداد ابزارات در يك شبكه فيلد باس است.

4-7 انواع بلو كهاي استاندارد

بلوكهاي متفاوتي با كاربردهاي مختلف در FCS وجود دارد كه در زير به توضيح برخي از آنها پرداخته مي شود:

1-4-7 Resource Block:اين بلوك (RB) مشخصات وسيله ابزار دقيقي همچون نام وسيله، سازنده و شماره سريال وسيله را بيان مي كند و فقط يك RB در هر وسيله موجود دارد.

2-4-7Function Block : اين نوع بلوكها (FB) رفتار كنترلي سيستم را فراهم مي سازد. چندين FB مي تواند در يك وسيله بارگذاري شود كه بعضي از آنها استاندارد بوده و كنترل اصلي و اساسي را بر عهده دارند. بلوكهاي استاندارد مي توانند بر حسب نياز و كاربرد در داخل ادوات فيلد بار گذاري شوند. براي مثال يك

Temperature Transmitter ممكن است حاوي يك بلوك از نوع AI FB و يك Control Valve شامل يك بلوك PID FB و همچنين AO FB باشد.

 

Figure 4-1

بنابراين يك لوپ كنترلي كامل مي تواند با بكارگيري يك ترانزميتر ساده و يك كنترل ولو، در سيستم فيلد باس تشكيل شود. در حالي كه در سيستمهاي كنترلي Traditional، در كنار ترانزميتر و كنترل ولو، به جهت عدم وجود مفهومي به نام Function Blocks، نيازبه يك كنترلر و در كنار آن مبدل جريان الكتريكي به فشار هوا ، جهت انجام عمل كنترلي داريم. لذا ملاحظه مي شود كه با بكارگيري ادوات فيلد ، لوپ كنترلي ، ساده و البته مطمئن تر مي شود.

3-4-7: Transducer Block: يك TB كار ارتباط بلوكهاي توابعي FBs را از I/O مورد نياز توابع سخت افزار و سنسورهاي دستگاه بر عهده دارد و شامل اطلاعاتي از قبيل تاريخ كاليبراسيون و نوع سنسور مي باشد هر ورودي /خروجي FB فقط شامل يك كابل TB مي باشد

4-4-7: Flexible Function Block: بلوكهاي FFB شبيه بلوكهاي FB بوده، مگر در كاربرد، سفارش، تعريف پارامترهاي بلوك و زمان لازم جهت اجراي بلوك ، كه جهت اجراي بلوك كه توسط ابزار برنامه نويسي مشخص و تعيين مي شود. FFB عموما جهت مقاصد كنترلي فرايندهاي گسسته و فرايندهاي گروهي Process) (Batch بكار مي روند و توسط اين بلوكها حتي مي توان كارايي يك سيستم PLC را نيز شبيه سازي كرد.

عموما در معماري اتاق كنترل، تكنولوژي FCS را نمي توان بر كل سيستم در نظر گرفت و اعمال كرد. زيرا چندين سيستم در اتاق كنترل بكار برده مي شود كه از نظر سخت افزاري و نرم افزاري خواص و امكانات فيلد باس را ندارد، و يا بخشي از قابليت هاي فيلد باس را دارا مي باشند، از طرف ديگر تمام ادوات فيلد قابليت تكنولوژي FCS را نداشته و بعضي از آنها به DCS وصل مي شوند. به عنوان مثال با توجه به عدم وجود تكنولوژي FCS در مورد ورودي /خروجيهاي ON/OFF(سوئيچ ها) و با توجه به پروتكل خاص

Vibration Transmitter ها ارتباط اين ادوات با سيستم كنترلي از نوع Traditional 4-20mA خواهد بود.

همچنين با توجه به اينكه سيستم FCS گواهي و استاندارهاي لازم را در مورد ESD،Emergency Shut Down) (و Fir&Gas System تاكنون اخذ نكرده است ، لذا اين دو سيستم نيز از نوع Traditional خواهد بود. در حال حاضر سيگنالهايي كه قابليت اتصال به سيستم FCS را دارند شامل وروديهاي آنالوگ و براي ترانزميترها و بعضي آنالايزر ها و خروجيهاي آنالوگ براي ‍‍Positioner ها و محركهاي الكتريكي مي باشد.