آموزش DCS

درآمدی بر سیستم­ های کنترل توزیع­ شده[1] DCS

در کاوش روندها و سوابق پیشین فرآیندهای صنعتی به روشنی واضح است، هرکجا چرخی در حال چرخش است، یک سیستم کنترل برای کنترل آن مورد نیاز است. به بیان دیگر هر کجا یک تجهیز صنعتی در حال کار است، یک سیستم کنترلی در حال کنترل آن می­باشد و این موضوع مارا بدانجا می­رساند که سیستم کنترل یک جزء لاینفک صنایع فرآیندی می­باشد.

بطور کلی هر تجهیز صنعتی الکتریکی و الکترونیکی مشتمل بر سه بخش اصلی می­باشد. یکی بخش Power است که وظیفه تامین تغذیه الکتریکی را برعهده دارد. دوم بخش Activator است که فعال­کننده می­باشد و وظیفه انجام کار را برعهده دارد. سوم بخش Control است که تغذیه خود را از بخشPower گرفته و وظیفه کنترل تجهیز را برعهده دارد.

کنترل یک تجهیز به تنهایی کار چندان دشواری نیست، ولی کنترل تعداد زیادی تجهیز که در یک واحد صنعتی در کنار هم کار می­کنند، کاری مشکل و دشوار بوده و نیاز به نرم­افزارها و سخت­افزارهای متفاوتی جهت کنترل کل واحد صنعتی دارد.

 نکته مهم در این بخش، اینست که اکثر مواقع برای راه­اندازی و بهره­برداری یک واحد صنعتی، لازم است تعداد زیادی از تجهیزات صنعتی الکتریکی/الکترونیکی، مکانیکی، پنوماتیکی، هیدرولیکی و... در کنار هم قرار گرفته و براساس پیکربندی و برنامه­نویسی که برای آن­ها انجام می­شود، یک هدف واحد را دنبال ­کنند، که در نهایت منجر به انجام یک کار خاص می­شود. واضح است که هرکدام از این تجهیزات صنعتی بصورت جداگانه سیستم کنترل خاص خود را دارند، به علاوه خود کارگاه صنعتی نیز نیاز به یک سیستم کنترل مرکزی دارد، که این تجهیزات و ابزارآلات را برای رسیدن به هدفی خاص راهبری نماید. بدین منظور به یک سیستم کنترل احساس نیاز می­شود، که بتواند کلیه تجهیزات همگن و ناهمگن این واحد صنعتی را به نحوی کاملا یکپارچه و در تطابق کامل با یکدیگر تحت یک پوشش کنترلی واحد در بیاورد. 

 

سیستم­های کنترل می­توانند­ از نوع مکانیکی، پنوماتیکی، الکتریکی، هیدرولیکی و... یا ترکیبی از این­ها باشند. اما در این کتاب منظور سیستم­های کنترل الکتریکی می­باشد، که از ابتدای ظهور، تاکنون سیر تکاملی پیچیده­ایی را طی کرده­اند و در این راستا لازم است، بدانیم در ابتدا برای کنترل پروسه­های صنعتی از مدارهای فرمان و قدرت با استفاده از تجهیزات الکترومکانیکی (مانند کلیدها، کنتاکتورها، رله­ها، تایمرها و...) استفاده می­شد. بعدها تعدادی از قطعات الکتریکی در یک جعبه در کنار هم قرار داده می­شدند و تجهیزات کنترلی بصورت فشرده در کوچکترین اندازه ممکنه ساخته می­شدند.

برای مثال در ساخت یک رله به جای استفاده از یک یا دو کنتاکت، تعداد زیادی کنتاکت Normally Open و Normally Close به همراه یک یا چند کویل در یک پکیج ساخته می­شدند و بدین ترتیب حجم پنل­ها و تابلوهای برق کاهش داده می­شد. پس از این مرحله، با ساخت تجهیزات الکترونیک قدرت و ورود قطعات الکترونیکی به صنایع کنترل یک انقلاب در سیستم­های کنترل ایجاد شد، که با نام الکترونیک صنعتی به سیستم­های کنترل پروسه معرفی گردید. اما این نیز انتهای پیشرفت صنایع کنترل نبود و در ادامه­ی روند پیشرفت سیستم­های کنترل، بتدریج رله­های هوشمند وارد بازار شدند و کنترلرهای منطقی برنامه­پذیر PLC بر پایه این رله­ها ساخته شده و راهبری سیستم­های کنترل را برعهده گرفتند. در تشریح PLC بهتر است، از گذشته وارد حال شوبم، چراکه از اوایل دهه 70 میلادی که نخستسن PLC ساخته شد، تاکنون کنترل­کننده­های برنامه­پذیر PLC بعنوان سیستم کنترل مورد استفاده قرار می­گیرند و هر روز نیز پیشرفته­تر می­شوند.

 از گذشته تاکنون، تکنولوژی­ها و توپولوژی­های متفاوتی برای ایجاد معماری­های کنترلی توسط PLC در پروسه­های کوچک و بزرگ ارائه شده، اما وقتی قرار به کنترل و مدیریت فرایندهای بزرگ صنعتی می­افتد، پای PLCها نیز گاهی می­لنگد و به یک سیستم کنترل توزیع­شده که قابلیت مدیریت و نظارت پروسه­های صنعتی بزرگ را داشته باشد، احساس نیاز می­شود. در راستای میسرسازی این امکان، سیستم­های کنترل توزیع­شده DCS، وارد عرصه بازرهای صنعتی شده­اند و امکان کنترل، پایش، نظارت و مدیریت فرآیند­های حجیم صنعتی را فراهم کردند.

در  جهت ارائه یک تعریف تمثیلی از DCS به این مثال اکتفا می­شود که، اگر سیستم­ کنترل به قله­ایی تشبیه­ شود که هفت پله برای رسیدن به آن وجود داشته باشد، DCS پله­ی آخر این قله می­باشد، که برای رسیدن به آن لازم است، شش پله دیگر نیز طی شوند. به عبارت علمی­تر در راستای کنترل فرایندهای صنعتی تکنولوژی­های کنترلی متفاوتی وجود دارد که جامع ترین آن­ها DCS می­باشد.

هفت مورد از مهمترین تکنولوژی­های کنترلی که به ترتیب از سادگی و دستی­بودن به پیچیدگی و اتوماتیک­سازی دسته بندی شده­اند، در زیر وجود دارد:

  • تکنولوژی کنترل Open-Loop ارتباط Offline.
  • تکنولوژی کنترل Close-Loop ارتباط Offline.
  • تکنولوژی کنترل Open-Loop ارتباط Online.
  • تکنولوژی کنترل Close-Loop ارتباط Online.
  • تکنولوژی کامپیوترهای اختصاصی توزیع­شده(گسسته).
  • تکنولوژی کامپیوترهای اختصاصی متمرکز.
  • تکنولوژی سیستم کامپیوتری غیرمتمرکز(DCS).

در تشریح کامل­تر DCS بهتر است به این صورت بیان شود:

فرض کنید قرار است یک مخزن حاوی محصولات پتروشیمی که پیوسته در حال پر و خالی شدن است، مورد کنترل قرار گیرد. این مخزن شامل یک سری سیگنال­های الکتریکی از قیبل سنسورها، سطح­سنج­ها، ترانسمیترها و... می­باشد. لذا باتوجه به اینکه تعداد سیگنال­های مورد نیاز مخزن محدود می­باشد، می­توان این پروژه را توسط یک کنترلر PLC کوچک راه­اندازی کرد.

حال فرض کنید، قرار است تعداد بیشتری مخزن تحت پوشش کنترلی قرار گیرند، در این صورت چون تعداد سیگنال­ها زیاد و حجم کارگاه بزرگ­تر شده، با استفاده از یک PLC کوچک اجرای این پروژه قابل انجام نمی­باشد و برای کنترل این پروسه یا باید تعداد PLCها را افزایش داد، یا اینکه از یک PLC (با تعدادی I/O، CPU، حافظه و...) بزرگ استفاده کرد.

در ادامه فرض خود را بزرگتر کنید، اگر قرار باشد تعداد کثیری مخزن را در کنار خطوط تولید محصولات پتروشیمی و بخش بارگیری و صادرات محصول را نیز تحت یک سیستم کنترل یکپارچه، کنترل نماییم، در این حالت تعداد توابع و سیگنال­های پروسه نامحدود می­باشد و برای مدیریت پروژه به یک سیستم کنترل غیر متمرکز نیاز است، تا بتوان تمام بخش­های فرایند را در تطابق کامل باهم، مدیریت و نظارت کرد. برای این منظور سیستم کنترل گسسته DCS پای به پهنه وسیع سیستم­های کنترل گذاشته و در اختیار پروژه­های عظیم صنعتی از قبیل نفت، گاز، پتروشیمی، سیمان و... قرار گرفته است.

در حقیقت اختصار DCS برای Distributed Control System در نظر گرفته شده و مفهوم آن سیستم کنترل توزیع­شده (یا گسسته) می­باشد، که برای کنترل پروژه­های بزرگ فن­آوری شده است.

البته شایان ذکر است که تعاریف متفاوتی از DCS در دست می­باشد، ولی اهداف کلیه این تعاریف یکسان می­باشد و هدف پایه­ایی و اساسی که تمام این تعاریف دنبال می­کنند، اینست که در DCS یک برنامه کاربردی بزرگ به یک سری زیربرنامه­های کوچک­تر تقسیم می­شود و هرکدام از این زیرسیستم­های کوچک، یک بخش از وظایف را انجام می­دهند، باتوجه به پروتکل ­مخابراتی یکپارچه­ایی که بین این زیرسیستم­ها وجود دارد، در نهایت تمام این بخش­ها بصورت یکسان عمل کرده و یک سیستم کنترل گسسته را تشکیل می­دهند. در واقع سیستم کنترل گسترده DCS توسعه یافته و تکامل یافته­ی دو تکنولوژی قدیمی Hybrid Control Made Up Of Discrete[2]  Devices و Direct Digital Control[3]  می­باشد. مفهوم این دو تکنولوژی در زیر تشریح شده است.

  • سیستم کنترل هایبریدی (یا Hybrid Control System): این سیستم کنترل شامل یک سری تجهیزات سخت­افزاری مجزا مانند PLCها، بردهای ابزاردقیقی، کامپیوترهایی برای پردازش اطلاعات، گزارش­دهی و... می­باشد. عمده­ترین مشکل سیستم­های کنترل هایبریدی این است که باتوجه به اینکه تجهیزات و سیستم­های آن از سازندگان متفاوتی انتخاب می­شوند، در ایجاد ارتباط با هم دچار مشکل می­شوند و این موضوع به علت  Interfaceهای متفاوتی هست که سازندگان مختلف برای تجهیزات خود استفاده می­کنند.
  • سیستم کنترل دیجیتال (Direct Digital Control): در تکنولوژی کنترل Direct Digital، تعداد زیادی از مشکلات ناشی از Interfaceها که در سیستم قبل وجود داشت، بر طرف شده است. در این سیستم از یک کامپیوتر مرکزی برای کنترل پروسه استفاده می­شود که بزرگترین مزیت این رویکرد استفاده از همین کامپیوتر برای گردآوری اطلاعات و گزارش­دهی سریع می­باشد، در حالی که عمده­ترین ایراد سیستم نیز می­تواند ناشی از همین کامپیوتر باشد،  چراکه اگر این کامپیوتر دچار مشکل شود، کل سیستم کنترل دچار اختلال خواهد شد. البته این مشکل نیز با استفاده از توپولوژی­های [4]Redundant قابل برطرف شدن می­باشد، ولی این روش سیستم را متحمل هزینه­های بیشتری می­کند.

در واقع سیستم کنترل گسسته DCS با یکپارچه­سازی و ادغام مزایای سیستم­های کنترل هایبریدی و سیستم­های کنترل دیجیتال، یک سیستم کنترل غیر متمرکز جامع را برای فرایندهای صنعتی ارائه کرد. در سال­های دهه 60 و 70 میلادی، با ظهور اولین ریزپردازنده­های الکترونیکی و ساخت نخستین کنترلرهای برنامه­پذیر، ایده­ی سیستم­های کنترل گسسته (DCS) نیز بطور واقعی عملی شد. همانگونه که گفته شد این سیستم با ایجاد یک ساختار-شکست متوازن، برنامه ­کاربردی را به زیرسیستم­های کوچک تقسیم کرده و امکان کنترل توزیع شده فرایند را به این روش فراهم می­کند. این سامانه برخلاف سیستم­های هایبریدی و کنترل مستقیم دیجتال، جهت توسعه در آینده بدون کمترین مشکلی قابلیت انجام این کار را داشته و امکان Update با آخرین تکنولوژی­های روز را نیز بدون هیچگونه محدودیتی دارا می­باشد.

امروزه سازندگان مختلفی در سراسر جهان اقدام به ساخت سیستم­های کنترل گسسته DCS می­کنند. اگرچه ممکن است سازندگان DCS از نرم­افزار و سخت­افزارهای متفاوتی برای ساخت سیستم­های خود استفاده نمایند، ولیکن تمامی این کارخانه­جات موظف به ساخت تجهیزاتی استاندارد مطابق استاندارهای بین­المللی می­باشند. این موضوع باعث می­شود، که تجهیزات و سیستم­های DCS ساخت شرکت­های متفاوت بتوانند به راحتی درکنار هم، یک همزیستی مصالمت آمیز داشته باشند، به نحوی که به آسانی و تنها با کمی تغییر می­توانند از تجهیزات یکدیگر استفاده نمایند و مخابره داده­ها و ایجاد ارتباط بین تجهیزات سازندگان مختلف مشکلات چندانی در سر راه ندارد.

یکی از بزرگترین  شرکت­های سازنده سیستم­های کنترل غیر متمرکز DCS شرکت زیمنس می­باشد، که کنترل فرایندهای عظیم صنعتی را در چهره­ی SIMATIC PCS7 به بهترین وجه ممکن میسر ساخته است. اکثر DCSهای مورد استفاده در صنایع کشور ما از همین نوع می­باشند.

در این کتاب ترتیبی اثر داده شده که سیستم­های کنترل فرایند PCS7 به تشریحی کامل در حصار توصیف درآیند. سیستم کنترل فرایند Process Control System PCS7 SIMATIC یک سامانه جامع و کامل، متشکل از سخت­افزارهای قدرتمند و نرم­افزارهای ساخت­یافته می­باشد، که امکان کنترل پیشرفته­ترین پروسه­های صنعتی را در قالب اتوماسیون کاملا یکپارچه Totally Integrated Automation  فراهم نموده است. سیستم­ کنترل پروسه PCS7 با رائه معماری­های پیشرفته و رنج وسیعی از تجهیزات کارگاهی، کارخانه­ایی و نرم­افزارهایی با توابع از مختلط، یکی از بزرگترین تکنولوژی­های موجود در عرصه DCS را ارئه کرده است.

در این کتاب ابتدا در فصل اول مطالبی در خصوص DCS گردآوری شده که در راستای آشنایی کلی خوانندگان با سیستم­های کنترل گسسته می­باشد. سپس موضوع اصلی کتاب یعنی PCS7 به صورت مبسوط تشریح خواهد شد.

در بخش اول این کتاب ابتدا تکنولوژی سیستم­های کنترل گسسته DCS و توپولوژی­های اجرایی آن­ها بیان خواهد شد، سپس مطالبی در خصوص نرم­افزار و سخت افزار در DCS، معماری سیستم­های کنترل توزیع شدهDCS، کلیات سیستم­های کنترل غیرمتمرکز DCS و گذر از DCS به PCS7 بیان خواهد، تا قبل از ورود به مباحث PCS7 ابتدا طرحی از سیستم­های کنترل گسسته در ذهن خوانندگان ایجاد شود، سپس به DCS زیمنس پرداخته خواهد شد.

در بخش دوم کتاب اجزای سیستم کنترل فرآیند PCS7 زیمنس بطور کامل تشریح خواهد شد، سپس مطالبی ازقیبل: سیستم کنترل فرآیند PCS7، تباین DCS و PCS7، مقیاس پذیری PCS7، دسترس­پذیری PCS7، مهندسی کارآمد PCS7، ارگونومی­های اپراتوری PCS7، ایمنی و امنیت PCS7، مدیریت چرخه عمر PCS7، اجزای سیستم کنترل فرایند PCS7، مدیریت سیستم توسط کنسول مدیریت PCS7، سیستم مهندسی یکپارچه، سیستم اپراتوری، گزارش­دهی و بایگانی داده­های پروسه، سیستم­های اتوماسیون و... بیان خواهد شد.

 

در بخش سوم کتاب نرم­افزار در سیستم کنترل فرآیند PCS7 به تفصیل بیان خواهد شد، در این بخش مطالبی از قبیل: نحوه نصب نرم­افزار SIMATIC PCS7، لایسنس در نرم­افزار PCS7، ایجاد یک پروژه در SIMATIC PCS7، ایجاد پروژه بصورت دستی، ایجاد پروژه از طریق New Project Wizard، پیکربندی درSIMATIC PCS7، پیکربندی در SIMATIC PCS7 ، پیکربندی واسط PC، ویرایش سمبل­ها در HW Config، ذخیره­سازی و کامپایل در NetPro، دانلود محتویات NetPro به PLC، پیکربندی تگ­های پروسه و کنترل ترتیبی، کپی کردن چارت­های CFC در کتابخانه اصلی داده، وفق دادن چارت­های CFC برای پروژه خاص، کپی کردن چارت­های CFC به پروژه و... بیان خواهد شد.

در بخش چهارم کتاب چارت­های برنامه­نویسی CFC و SFC در PCS7 تشریح می­شوند، سپس مطالبی از قبیل: لیست دستورالعمل­های CFC ، چارت­های  CFC، ایجاد چارت CFC، کتابخانه­اصلی داده، نحوه ذخیره­­سازی بلاک­ها در Master Data Library، نحوه ذخیره­سازی تگ­های پروسه Process Tag Types، مخفی کردن کتابخانه­ها، نمایش کتابخانه­های مخفی شده،تغییر نام چارت­های CFC، چارت­های CFC در نمای Process Object View، نحوه تعریف I/Oها برای Process Object View، ویرایشگر CFC، اضاف کردن تگ­ها در Process Object View، نحوه انطباق پارمترها در Process Object View، توسعه Master Data Library، چارت­های SFC، ایجاد چارت SFC، ویرایشگر SFC، نحوه ایجاد یک برنامه ترتیبی در SFC، نحوه بهینه­سازی سکانس­های اجرایی در SFC و... بیان خواهد شد.

در بخش پنجم کتاب، ایجاد و مدیریت مالتی­پروژه­ها در PCS7 شرح داده می­شود و مطالبی از قبیل: ایجاد یک پروژه چندگانه(Multiproject)، ایجاد یک Multiproject، افزودن پروژه­های اضافی در MultiProject، افزودن ایستگاهای اضافی در MultiProject، پیکربندی ایستگاه مهندسی (Engineering Station)، سیستم اتوماسیون استاندارد (AS)، ایجاد سرور ایستگاه اپراتوری (OS)، ایجاد ایستگاه پردازشگر اپراتوری (OS)، پیکربندی سخت­افزار ، تنظیمات عمومی CPU، استفاده از CP443-1 بعنوان واسط Plant Bus، استفاده از Ext CP443-5 بعنوان واسط PROFIBUS Master، پیکربندی ابزارهای I/O، پیکربندی ماژول­های آنالوگ، تغییرات در پروژه در حین عملیات، پیکربندی اتصالات شبکه در مالتی­پروژه، پیوند شبکه­ها در مالتی­پروژه و... بیان خواهد شد.

در بخش ششم کتاب نیز موضوع ایمنی در سیستم­های کنترل فرآیند PCS7 مورد بررسی قرار خواهد گرفت و مطالبی از قبیل سیستم­های Fail-Safe در PCS7 ، بخش­های نرم­افزاری در سیستم­های Fail-Safe، ایستگاه مهندسی ES ، بحث نرم­افزاری ماتریس ایمنی و S7 F-Systems، روش­های نصب مولفه­های ایمنی روی ایستگاه اپراتوری OS ، OS client، بحث مخابره ایمن در S7F/FH، موضوع تنظیم پارامترهای F-signal module ها، نحوه آدرس­دهی در شبکه PROFIsafe، ایجاد یک Safety Program، دسترسی به I/Oها،  بررسی Passivation  و Reintegration، نحوه کامپایل کردن F-Program و...، مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

در بخش هفتم نیز که به عنوان مقدمه­ایی بر مخابره داده­ها در PCS7 ارائه می­گردد، مباحثی در خصوص انواع شبکه­ها و پروتکل­های مخابراتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. البته در این بخش پروتکل مخابراتی پروفیباس، پروفینت و اترنت صنعتی، نظر به استفاده و اهمیت بیشتر نسبت به سایر پروتکل­های مخابراتی بطور کامل تشریح خواهند شد.

 

در نهایت هدف این کتاب بدین صورت بیان خواهد شد که،  در سیستم­های کنترل فرایند موارد زیادی جهت توضیح و تشریح وجود دارد، ولی در این کتاب تمام تلاش­ها بر این بوده که به موارد کاربردی پرداخته شود و از بیان موارد اضافی که صرفا وجهه تئوری دارند، خود داری شود، لذا بهتر است این کتاب را یک کتاب کاربردی برای PCS7 معرفی نماییم.

البته پیشنهاد می­گردد قبل از مطالعه این کتب فصل چهارم کتاب اتوماسیون صنعتی زیمنس مطالعه گردد. در واقع این فصل مقدمه­ایی بر کتاب سیستم کنترل توزیع­شده DCS می­باشد.

 

 

 

 

[1] - مفهوم توزیع­شده را به تعابیر دیگری مانند، گسترده، گسسته و غیر متمرکز نیز می­توان تعبیر کرد. در کل منظور از سیستم کنترل توزیع­شده، سیستمی هست که ایستگاهای کنترلی آن در نقاط مختلفی توزیع شده­اند و در طول یک محوطه بزرگ گسترده می­باشند. در واقع برای کنترل یک سایت بزرگ صنعتی که در محوطه­ایی وسیع گسترده شده، از سیستم­های کنترل گسسته DCS استفاده می­شود.

[2] - کنترل ترکیبی متشکل از دستگاه های گسسته    

[3] -  کنترل مستقیم دیجیتال   

[4] - منظور از Redundant افزونگی می­باشد. در این توپولوژی­ از تجهیزات دوبل با کار یکسان درکنار هم استفاده می­شود تا در صورت بروز خرابی در سیستم اصلی سیستم Back Up بلافاصله جایگزین آن شود و از ایجاد اختلال در عملیات و آسیب رسیدن به سایر تجهیزات پروسه پیشگیری گردد.