چکیده: انتخاب سیستم کنترل مناسب دراتوماسیون صنعتی همواره جزو دغدغه های اصلی صاحبان صنایع بوده است. کنترلر های صنعتی از گذشته تا به امروز دستخوش تغییرات زیادی شده اند و برای انتخاب یک سیستم کنترل نیاز به دانش فنی داریم تا با توجه به نیاز صنعت مورد نظر یک سیستم کنترل مناسب انتخاب کنیم و از پرداخت هزینه های اضافی جلوگیری کنیم.
مقدمه
سیستم های کنترل این روزها قوی تر، انعطاف پذیرتر، دارای تنظیمات ساده و امکان برقراری ارتباط آسان شده اند. شرکتهای بسیار زیادی سیستمهای کنترل را تولید می کنند و نظریات مختلف در یک واحد صنعتی برای ارزیابی سیستم کنترل مورد نیاز می تواند منجر یک فاجعه برای انجام پروژه شود. با داشتن دانش کمی در مورد ویژگی ها، محدودیت ها و سازگاری های انتخاب های مختلف، یک مهندس می تواند یک تصمیم علمی در زمان انتخاب از بین گزینه های زیر بیگیرد:
Programmable Logic Controller) PLC)
Programmable Automation Controller) PAC)
Industrial PC) IPC)
کنترل کننده ها جانشین رله ها:
تا اوخر سالهای دهه ی ۶۰ میلادی سیستم های کنترل شامل رله های کنترلی که توابع گسسته و حلقه های مستقل کنترل کننده که توابع آنالوگ را کنترل می کردند، بودند. این سیستم ها باعث به وجود آمدن مشکلات زیادی از جمله از بین رفتن فضای زیاد برای رله ها، تغییرات گران قیمت و زمانبر و در برخی موارد تلاش های بسیار زیاد برای عیب یابی می شد.
در دهه ی ۷۰ میلادی PLC ها به وجود آمدند و به صورت گسترده جایگزین رله ها شدند. PLC های اولیه بزرگ بودند (با این حال از مجموعه رله ها کوچکتر بودند) و برنامه ریزی آنها با ترمینال های اختصاصی و دستورهای کنترلی محدود انجام می شد. در اواخر دهه ۷۰ سیستم های کنترل توزیع شده یا DCS ها شروع به جایگزین شدن با حلقه های کنترل کننده تکی کردند و سیستم کنترل آنالوگ را به صورت یکپارچه درآورند. DCS ها به صورت پیش فرض شامل: Rackهای ورودی/خروجی چندگانه که در نزدیکی دستگاه انتهایی کنترل قرار م یگرفتند، یک سیستم نمایش مبتنی بر کامپیوتر و یک ایستگاه مهندسی بودند. بخش گرافیکی یا صفحه نمایش های مهندسی بخش اساسی از DCS بودند و برای تعامل با فرآیند و روند کار حلقه کنترل استفاده می شدند. در اویل دهه ۸۰ میلادی سیستم های PLC شروع به دنباله روی از DCS ها کردند و شامل مولفه های توزیع شده و Rackها شدند.
PLC ها دارای مزیت های حرفه ای زیادی هستند از جمله: افزایش قدرت پردازش، افزایش میزان حافظه، افزایش کنترل کردن بیت ها و کاهش سایز. این مزیت ها به کلاسهای دیگری از کنترل کننده های صنعتی نیز گسترش یافت. از جمله این کنترل ها میتوان به PACها و IPC ها اشاره کرد. در حالی که PLC ها ویژگیهای اولیه خود را که از ابتدای دهه ۷۰ به همراه داشتند را حفظ کرده اند، PAC ها و IPC ها دارای قابلیتها و عمکردهای جدیدی هستند که آنها را فراتر از ویژگی های PLC اولیه برده است.
Programmable Logic Controller – PLC
PLC (کنترل کننده قابل برنامه ریزی منطقی):
PLC ها همان ساختار قبلی خود را برای پروژه های اتوماسیون کوچک حفظ کرده اند. این روزها PLC ها خیلی قدرمندتر شده اند و در زمینه کنترل قابلیت های زیادی دارند. از PLC ها برای استفاده های معمولی در صنایع شامل ماشین های تولید محصول مثل ماشین های بسته بندی، پرکننده ها، غلتک ها در فرایندهای تولید استفاده می شود. PLC ها به طور معمول به یک Human Machine Interface) HMI) برای تصویرسازی و اعلام اخطار متصل می شوند. آنها قابلیت رسیدگی به دنباله های خیلی سریع ورودی خروجی، کنترل PID (Proportional Integral Derivative)، ورودی/خروجی دیجیتال و آنالوگ و دستورالعمل های فراتر از PLC های اولیه در دهه ۷۰ و ۸۰ میلادی هستند. علاوه بر این، بسته به مدل و ساختار PLC، آنها به طورمعمول دارای ماژول های ویژه ای مثل شمارنده های پرسرعت، تجهیزات شبکه، کنترل حرکت و امکاناتی از این قبیل هستند.
به نوعی تمام PLCها دارای گونه های استاندارد از تجهیزات و پروتوکل های ارتباطی شبکه هستند که شامل EtherNet/IP، Profibus، Profinet، Foundation Fieldbus و یا مودباس می باشند. این امکانات شبکه شرایط را برای برقراری ارتباط تک به تک(Peer to Peer) ارتباط بین PLCها، قابلیت ورودی/خروجی توزیع شده و ارتباط های سیستم HMI و SCADA را ایجاد می کند. با وجود قدرت زیاد PLC ها در حال حاضر نسبت به مدل های اولیه آنها، باز هم محدودیت هایی در این سیستم ها وجود دارد. برای پایین نگهداشتن قیمت ها در این شرایط رقابت بین شرکت های تولید کننده PLC یک محدودیت برای میزان ورودی/خروجی که PLC می تواند اداره کند در کنار میزان واحدهای منطقی که بروی آن نصب می شود، وجود دارد.
Programmable Automation Controller – PAC
PAC (کنترل کننده قابل برنامه ریزی اتوماسیون):
پروژه های بزرگتر نیاز به چندین Rack توزیع شده برای کاربردهای بزرگتر هستند زیرا نیاز به حافظه و توان پردازشی بالاتری نسبت به PLCهای معمول هستند. PACها تمام امکانات PLCها را دارا می باشد به اضافه چند ویژگی دیگر.
PAC ها برای کنترل یک سیستم توزیع شده کنترل مثل خط های بزرگ بسته بندی، سیستم کنترل گسسته تولید، یا یک فرآیند کنترل غلتک در سطح بزرگ طراحی شده اند. برای کنترل این گونه فرآیندها دستورالعمل های پیشرفته تری نیاز است. برخی شرکت ها تا آنجایی پیشرفته اند که برای صنایع بزرگ مثل نفت، گاز، نیروگاههای اتمی و صنایع ذوب دستورالعمل های ویژه ای طراحی کرده اند که نیازمند PACها با قدرت پردازش بسیار بالا هستند. PACها معمولا در سیستم های خبره (Enterprise system) و یا سیستم های SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) برای کابردهای بسیار گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.
پیشرفت دستورالعمل های PAC و کتابخانه های پیشرفته HMI مرزهای بین PACها و DCSها بسیار کمرنگ کرده است. بیشتر قدرت محاسباتی و یکپارچگی DCSها، امروزه توسط PACها ارائه میگردد. PACها قابلیت کنترل پیشرفته سیستمها و DCSهای بزرگ را برای (MPC ( Model Predictive Control و منطق فازی را برای مکان هایی که PIDها ضعیف هستند را دارا می باشند.
Industrial PC – IPC
IPC (کامپیوتر صنعتی):
شروع کار IPCها از سال های دهه ۹۰ میلادی با شرکت هایی بود که تلاش می کردند نرم افزارهایی طراحی کنند که کار PLC را بروی یک محیط استاندارد PC شبیه سازی کنند. این تلاش های اولیه برای استفاده از PCها در سیستم اتوماسیون در بیشتر موارد با شکست روبرو می شد زیرا سیستم عامل ها(Operating Systems) دارای پایداری مورد نیاز نبودند و نرخ شکست آنها بسیار بالا بود.
از آن به بعد، پیشرفت های زیادی در زمینه استفاده از IPCها شامل استفاده از چندین کامپیوتر صنعتی و سیستم عامل های پایدارتر ایجاد شد که باعث شد برخی تولیدکننده ها IPCهای مورد نظر را با ترمینال بلادرنگ ( Real Time kernel) خود برای کاربرد خاص اتوماسیون طراحی کنند. این ترمینال بلادرنگ این اجازه را به سیستم اتوماسیون داد که از محیط سیستم عامل خارج شده و از اولویتها(Priority) برای انجام فرآیندها سریعتر از سیستم عامل عمل کند مثل قابلیت های ورودی/خروجی.
به این دلیل که IPCها بروی پلتفورم های کامپیوتری اجرا می شدند، آنها شامل پردازنده های مدرن تر و حافظه بیشتری نسبت به PLCهای استاندارد هستند. یکی از قابلیتهای IPCها این است که به طور معمول برنامه HMI بروی همان ماشینی اجرا می شود که برنامه اتوماسیون اجرا می شود و این باعث کاهش هزینه ها می شود. برخی استفاده های IPCها شامل خط های تولید محصول کوچک غلتک ها و فرآیندهای کوچک می باشد.
انتخاب درست سیستم کنترل:
هیچ قانون صریح و مشخصی برای انتخاب درست یکی از سیستم های ذکر شده در بحث کنترل وجود ندارد. شاخص های زیادی باید مد نظر قرار بگیرد مثل بودجه، اندازه، پشتیبانی، پیچیدگی فرآیند و طرح های گسترش سیستم. توجه زیادی برای بحث فرآیند و نیازهای ایمنی سیستم و داشتن گواهینامه (SIL (Safety Integrity Level باید صرف شود تا هم ایمنی سیستم تضمین شود و هم زمان بین شکست سیستم (MTBF (Mean Time Between Failure) به حداقل برسد.
به طور معمول مشتری ها به برند سیستم کنترلی که به آنها ارائه می شود توجه زیادی دارند. این معمولا به دلایل مختلفی مثل وجود لایسنس برای برنامه نویسی، نگهداری و تمرین های مهندسی و آشنایی، و نمایندگی های پشتیبانی در منطقه برای سیستم است.
وقتی که راه حل شفافی برای انتخاب یک تکنولوژی وجود ندارد، درست کردن یک ماتریس انتخاب با توجه به اهمیت ضوابط و بعد از آن نمره دهی هر تکنولوژی میسر می شود. سنجش بیشتر ضوابط و نیازهای اساسی به جای نیازهای کم اهمیت تر باید یک محور اصلی برای سنجش باشد. یک مثال از این عملکرد در شکل زیر نمایش داده شده است. با این ضوابط تکنولوژی شماره یک برای مشتری بهترین گزینه است.
درست کردن این جدول به حذف کردن برخی ایرادات در تصمیم گیری کمک می کند. این چنین جداولی در مواردی که مشتری شما یک استاندارد برای انجام فعالیت خود ندارد و یا نیاز به یک راه حل جدید برای انجام یک عملیات ویژه دارد کمک زیادی می کند.
یک راه حل مناسب در برخی موارد میتواند سیستمی از مجموع PLC، PAC و IPC باشد. این روزها شبکه های صنعتی امکان برقراری ارتباط بین سیستم های مختلف کنترل در یک واحد صنعتی را به راحتی فراهم می کند.
