معرفی کلی سیستم‌های کنترل و اتوماسیون پروسه‌های صنعتی

مقدمه

محیط­های صنعتی مختلف نظیر پالایشگاه­ها، نیروگاه­ها، کارخانجات فولاد وغیره نیازهای بی­شمار جوامع را تولید می­کنند. در هر کدام از این محیط­های صنعتی، غالبا فرایندهای پیچیده و بزرگی انجام می­شود. در تمام این فرایندها برای اطمینان از عملکرد مناسب و صحیح پروسه نیاز است تا اطلاعاتی از جریان فرایند، از قبیل دما، فشار نقاط مختلف و همچنین فلوی عبوری از نقاط خاص و وضعیت مخازن و غیره به طور دقیق در هر زمان در دسترس باشد. با استفاده از این اطلاعات سیستم کنترل قادر خواهد بود پروسه را جهت دستیابی به محصول مورد نظر هدایت نماید. فرایند اتفاق افتاده در این قبیل پروسه­ها همواره با تغیرات پیوسته شیمیایی همراه است یعنی فرایند نیازمند کنترل مداوم پارامترهای آن می­باشد. این پروسه­ها دارای حلقه­های کنترلی متعددی  می‌باشند که امروزه مناسب­ترین روش برای کنترل آنها سیستم­های DCS[1] می­باشد که لوپ­های کنترلی را در CPU های مستقلی پردازش می­کند. در این مقاله سعی در معرفی کلی شبکه های کنترل  و اتوماسیون در پروسه های صنعتی شده است.

سیستم کنترل

یک سیستم کنترل که قابلیت تنظیم مقدار خروجی سیستم را متناسب با ورودی اعمالی به کنترلر را داشته باشد، می‌بایست در هر لحظه توسط سنسورها از مقدار خروجی نمونه برداری کند. این مقدار سپس با مقدار ورودی یا مقدار مطلوب کمیت مقایسه شده و سیگنال خطا را ایجاد می‌کند. برای ایجاد این سیگنال می‌بایست سیستم به صورت فیدبک منفی بسته شده باشد. سیگنال خطا به عنوان ورودی به سیستم کنترل اعمال شده و کنترلر با توجه به مقدار انحراف کمیت تنظیمات لازم را روی عملگر انجام می‌دهد. اجزای تشکیل دهنده سیتم کنترل حلقه بسته فیدبک منفی در زیر اشاره شده است:

1- پروسس

منظور از پروسس یا فرایند سیستم یا مجموعه المان‌هایی است که از یک طرف مواد به آنها وارد، و پس از اعمال تغییرات فیزیکی و شیمیایی از آن خارج می‌شود.

2- تجهیزات ابزار دقیق

منظور تجهیزاتی است که به منظور اندازه‌گیری کمیت‌های پروسه نظیر دما، فشار، فلو ، سطح و غیره استفاده می‌شوند و به عنوان المان اولیه یا حسگرمورد استفاده قرار می‌گیرند.

3- ترنسمیتر

مقدار اندازه‌گیری شده توسط تجهیزات ابزار دقیق می‌بایست قبل از ارسال به کنترل‌کننده تقویت شده و مدولاسیون مناسب جهت ارسال اعمال شود .

4- مقایسه کننده

خروجی اندازه­گیری شده پروسه می­بایستی با مقدار مطلوب مقایسه گردد تا در صورت وجود خطا، تدابیر لازم بکار گرفته شود. عمل مقایسه در قسمت مقایسه کننده انجام می­پذیرد.

5- کنترل کننده

کنترل­کننده­ها یکی از قسمت­های مهم و حساس سیستم­های کنترل صنعتی می­باشند و طراحی و تنظیم آنها از اهمیت و حساسیت ویژه­ای برخوردار است.کنترل­کننده­ها سیگنال خطا را دریافت نموده و با توجه به تنظیمات انجام شده قبلی فرمانی را صادر می­کنند و این فرمان توسط قسمت­های بعدی اجرا می­شود کنترلرهای صنعتی امروزه معمولا مبتنی بر کنترلرهای PID می‌باشند. در این نوع کنترلرها ضرایب توسط طراح تعیین می‌شود. ضریب P سرعت تغییرات را در خروجی سیستم را تعیین می‌کند اما افزایش زیاد آن باعث ایجاد خطا در سیستم خواهد شد. ضریب I چون از سیستم انتگرال‌گیری می‌کند باعث از بین رفتن خطای حالت ماندگار سیستم شده و تغییرات در خروجی را نرمتر می‌کند. ضریب D چون از سیستم مشتق می‌گیرد حساسیت سیستم را نسبت به تغییرات ورودی افزایش می‌هد.

6- تقویت کننده

فرمان ارسالی از کنترل­کننده قبل از انتقال به عملگر می­بایست تقویت شود.

7- محرک

چون سیگنال کنترلی که از طرف کنتر­ل­کننده به سایت ارسال می­شود قدرت لازم جهت حرکت دادن عنصر نهایی را ندارد، از محرک استفاده می­شود.

8- عنصر نهایی

همانگونه که از نامش پیداست آخرین قسمت سیستم کنترل می­باشد و ورودی از طریق آن به پروسه اعمال می­شود. در فرایندهای صنعتی معروفترین عنصر نهایی شیرها می­باشند.

بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل1 نمایشی کلی از سیستمهای کنترل صنعتی می­باشد:

 شکل  1 کنترلر حلقه بسته با فیدبک منفی

در این سیستم کنترل که هدف رسیدن پروسه به نقطه مطلوب[1] است در هر لحظه مقدار کمیت مورد نظر توسط حسگر اندازه­گیری می­شود. حسگر متناسب با تغیرات  کمیت، سیگنالی را تولید می­کند، مبدل حالت آن را در صورت لزوم به سیگنال ولتاژ یا جریان تبدیل می­کند. این سیگنال چون می­بایست با مقدار مطلوب مقایسه شود خطی­سازی شده و نویزهای آن فیلتر میشود. در بسیاری مواقع چون فاصله حسگر و کنترل­کننده زیاد می­باشد، سیگنال باید تقویت و ارسال شود. این سیگنال با سیگنال مرجع مقایسه شده و تفاضل آنها سیگنال خطا نامیده می­شود. سیگنال خطا به عنوان ورودی به کنترل­کننده اعمال می­شود. کنترلر با توجه به منطق برنامه سعی در تنظیم خطا خواهد داشت. سیگنال خروجی از کنترلر پس از تقویت به عملگر مناسب اعمال شده و در نتیجه پروسه در نقطه مطلوب تنظیم می­شود. این سیستم یک سیستم کنترل حلقه بسته نامیده‌ می‌شود که برای تمامی پارامترهای تحت کنترل می‌بایست تشکیل شود. با توجه به اهمیت این موضوع در مورد پروسه‌های پیچیده نظیر صنایع پتروشیمی و احیای فولاد این سیستم می‌بایست قابلیت تحلیل و کنترل حلقه‌های متعدد و وابسته بهم را داشته باشد. علاوه بر آن می‌بایست در صورت بروز هر گونه اشکالی از کار نیفتاده و یا به اصطلاح سیستم به صورت افزونه[2] طراحی شده باشد.

سیستم­های کنترل توزیع شده (DCS)

با معرفی پروسسورها و میکروکنترلرها، کنترل و پردازش قسمت های مختلف پروسه بین کنترل کننده ها تقسیم شد و باعث به وجود آمدن نسلی از روش کنترل به نام DCS (Distributed Control System) به معنی سیستم کنترل توزیع شده است. این سیستم غیر متمرکز بوده و کنترل توسط چند کنترل کننده که در اتاق کنترل قرار گرفته اند صورت می پذیرد. یکDCS مجموعه‌ای است از کنترلرهایی با قابلیت پردازش بیش‌ از یک حلقه (Multi-Loop). این کنترلرها که با یکدیگر نیز مرتبط بوده و قابلیت کنترل صدها حلقه را دارا می‌باشند. در یک پروسه تولید اطلاعات فیلد از قبیل دما، فشار، جریان و غیره توسط تجهیزات ابزار دقیق به شکل سیگنال استاندارد جریان یا ولتاژ تبدیل و مدوله شده و آماده ارسال به قسمت I/O سیستم DCS می شود.برای ارتباط سیستم I/O و کنترلر به دلیل حجم بالای اطلاعات از سیستم پروفی‌باس استفاده می شود. پس از پردازش اطلاعات و صدور فرامین کنترلی بر اساس نیاز فرایند این سیگنال دوباره به قسمت I/O فرستاده می‌شود و از آنجا به عملگرهای الکترومکانیکی برای تنظیم پارامترهای مورد بررسی ارسال می‌گردد.

معماری سامانه‌های DCS

سامانه‌های DCS از نظر تجهیزات و خطوط ارتباطی بین آنها در سه لایه قابل تشریح می‌باشد که در زیر بصورت هرمی نمایش داده شده است.

1- Field Level

2- Control Level

3- Monitoring Level

شکل2 هرم اتوماسیون

Field Level

در پایین ترین سطح Actuator  ها و Field Instrument  ها  قرار دارند که می توانند به روش کلاسیک یعنی ارتباط از طریق دو رشته سیم (جریان یا ولتاژ) و یا به روش Field bus به کارت های I/O  متصل شوند. امروزه از تکنولوژی Field bus  جهت این ارتباط استفاده می شود. حجم دیتا در این سطح کم است ولی زمان ارسال و دریافت اطلاعات باید کوتاه و در حد میلی ثانیه باشد. ارتباط از نوع پروفیباس H1 در سطح فیلد ایجاد و سرعت تبادل اطلاعات در آن معادل Kbit/S 31.25 می‌باشد. ادوات نصب شده به این باس انرژی الکتریکی تغذیه خود را از باس و ارتباطات آن دریافت می‌نمایند. با استفاده از تکنولوژی فیلدباس می‌توان از توپولوژی‌های مختلف نظیر Tree ، Star و... استفاده کرد.

Control Level

در سطح میانی یک سیستم DCS کنترلر ها قرار دارند. هر کنترلر متصدی اداره یک قسمت از Plant  است و معمولا به همین شکل نیز نامگذاری می شود. کنترلر ها از طریق یک شبکه ارتباطی با یکدیگر و نیز با سطح بالاتر در ارتباط هستند. از این شبکه نیز معمولا تحت عنوان Process Bus یاد می‌شود. این شبکه معمولا دارای پشتیبان Redundant است. حجم دیتا نیز در این کم و در حد بایت است و زمان تبادل نیز باید کوتاه و کمتر از ثانیه باشد.

Monitoring Level

در سطح بالای یک سیستم DCS ایستگاه های کاری یا همان کامپیوترهایی قرار دارند که از طریق آنها  فرایندهای پروسسی توسط اپراتورها کنترل می‌شوند. این کامپیوترها نیز از طریق یک شبکه که به آن Terminal Bus گفته می‌شود به سطح پایینتر متصل می‌شوند. حجم اطلاعات در حد متوسط و زمان نیز در حد ثانیه است.

شکل  3 معماری یک شبکه متعارف DCS

همانگونه که در شکل مشاهده می شود در این سطح Engineering Station قرار می‌گیرد که نرم افزار طراحی و مهندسی سیستم DCS روی آن نصب می‌شود و کلیه عملیات مهندسی شامل download کردن برنامه ، تغییر در منطق برنامه و تغییرات در صفحات گرافیکی سیستم از طریق آن صورت می‌پذیرد. ES به هر دو Bus  سیستم اعم از terminal Bus  و process Bus متصل است.

OS  یا Operation Station همان ایستگاه کاری اپراتور هاست. در این قسمت صفحات گرافیکی به شکل Runtime و غیر قابل تغییر است بار گذاری شده است. OS ها بسته به معماری سیستم به صورت مستقیم یا از طریق Server به کنترلر ها متصل هستند. اپراتورها می توانند مقادیر پروسسی را روی OS مشاهده نمایند و یا فرامین کنترلی را از طریق آنها به کنترلرها ارسال کنند.

DCS های مطرح دنیا

سازندگان مختلفی که البته تعداد آنها زیاد نیست سیستم های DCS را ارائه کرده اند. برخی از DCS های معروف عبارتند از:

Centum 3000          ساخت شرکت   YOKOGAWA  

Delta V                   ساخت شرکت    EMERSON

Industrial IT            ساخت شرکت         ABB

Teleperm XP           ساخت شرکت     SIEMENS  

PCS7                      ساخت شرکت     SIEMENS        

Experion PKS          ساخت شرکت     Honeywell

نتیجه گیری

با توجه به اهمیت بهینه سازی و تولید محصول با کیفیت و همچنین حصول حداکثر ایمنی در پروژه های صنعتی لزوم استفاده از کنترل کننده های با دقت بالا بیش از پیش احساس می شود. سیستم های مبتنی بر DCS به دلیل برخورداری از نرم افزار و سخت افزار قدرتمند قابلیت کنترل دقیق و مونیتور کردن پروسه را دارا بوده وامکان تصمیم گیری راحت را برای اپراتور فراهم میسازد.