معرفی معماری سامانه‌های کنترل DCS مطرح دنیا

سامانه کنترل فرآیند PCS7

چکیده

امروزه یکی از موارد مطرح در دنیای اتوماسیون صنعتی، استفاده از فناوری‌های ترکیبی در زمینه سامانه‌‌های کنترلی است؛ یکی از نمونه‌های مطرح در این ارتباط سامانه‌‌های اتوماسیون فرآیند (PAS) می‌باشد که در برگیرنده سامانه‌‌های کنترلی مرسوم مانند سامانه‌‌های کنترل DCS ،Mini DCS ،FCS، و Hybrid است. محصول SIMATIC PCS7 از شرکت زیمنس یک نمونه از سامانه‌‌های مطرح در حوزه اتوماسیون فرآیند است که در کشور ما نیز در بسیاری از صنایع به کار گرفته شده و می‌شود.
این مقاله در ادامه سلسله مقالات «معرفی سامانه‌های کنترل DCS مطرح دنیا» به بررسی و تشریح سامانه کنترل فرآیند PCS7 می‌پردازد. سامانه PCS7 که یک «سامانه اتوماسیون فرآیند» محسوب می‌شود از تولیدات دپارتمان «درایو و اتوماسیون» زیمنس است و مبتنی بر کنترل‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی (PLC) سری SIMATIC S7400 می‌باشد.
این سامانه قابلیت بکارگیری در پلنت‌های کوچک و بزرگ را دارد. محتوای این مقاله به توصیف مواردی چون معماری و ساختار کنترلی PCS7، سخت‌افزار، نرم‌افزار‌های مهندسی و تشخیص خطا، پیکربندی‌های مختلف «سامانه اتوماسیون» و ایستگاه‌های اپراتوری و همچنین نوع و توپولوژی شبکه صنعتی این سامانه پرداخته است.

1- تاریخچه

شرکت زیمنس در سال 1847 به عنوان اریه دهنده خدمات تلگراف در آلمان تأسیس شد و در سال‌های بعد به فعالیت در زمینه برق و کنترل پرداخت. اولین سامانه‌ کنترل ماژولار زیمنس به نام SIMATIC در سال 1959 عرضه شد. زیمنس هم ‌اکنون بزرگ ترین شرکت تولیدکننده تجهیزات برق و کنترل در اروپا به شمار می‌رود و دارای دپارتمان‌های متعدد در زمینه‌های مختلف است. سامانه کنترل فرآیند PCS7 که نام آن برگرفته از Process Control System می‌باشد.
از تولیدات دپارتمان «درایو و اتوماسیون» شرکت زیمنس یعنی SIMATIC می‌باشد که به عنوان یک سامانه DCS در دنیای صنعت مطرح است. این سامانه در سال 1996 عرضه شده و سامانه DCS قدیمی زیمنس که با نام Teleperm M شناخته می‌شود می‌تواند به آن ارتقاء یابد. شکل 1 پیدایش PCS7 را در کنار برخی دیگر از سامانه‌های ارایه شده توسط زیمنس نشان می‌دهد.

شکل 1- تاریخچه پیدایش PCS7

   1-1- سامانه کنترل فرآیند TELEPERM M

این سامانه که از نسل‌های اولیه سامانه DCS شرکت زیمنس به شمار می‌آید، قابل ارتقا به سامانه کنترل فرآیند PCS7 است. به ادعای زیمنس تقریباً 15000 سامانه TELEPERM M از زمان معرفی آن در سال 1980 به مشتری تحویل داده شده است. در زمان ارتقا یا تبدیل این سامانه‌‌ها به سامانه کنترل فرآیند PCS7، کاربران، با حفظ سرمایه‌گذاری قبلی و بدون نیاز به جایگزینی کامل سامانه قبلی با سامانه جدید، می‌توانند از سامانه‌ جدید بهره مند شوند.
این کار باید براساس برنامه و به صورت حساب شده انجام شود. این امکان با استفاده از راهبرد سه مرحله‌ای و با به کارگیری محصولات ارتقا برای TELEPERM M فراهم می‌آید. این سه راهبرد عبارتند از:
• سامانه‌های اتوماسیون AS488/TM مبتنی بر مؤلفه‌های سخت‌افزاری SIMATIC S7/M7 می‌باشد. به‌ طوری که نرم‌‌افزار سیستمی و نرم‌افزار کاربردی آن با سامانه‌های اتوماسیون پیشین AS235 سازگار است. یعنی برای عملیات پایش و اپراتوری از یک سامانه و نرم‌افزار مشترک استفاده می‌شود.
• پیاده‌سازی یک شکل عملیات در اتوماسیون پلنت‌ها با استفاده از هر دو سامانه PCS7 و TELEPERM M. بنابراین سامانه اپراتوری PCS7/TM-OS که برای این منظور استفاده می‌شود. با سامانه‌های اتوماسیون TELEPERM M قادر به تبادل داده و ارتباط می‌باشد.
• رک مخصوص ارتقا، اجازه ترکیب I/O‌های TELEPERM M را در SIMATIC PCS7، فراهم می‌کند.

شکل 2- ترکیب سامانه TELEPERM M با سامانه PCS7

2- معرفی سامانه‌ PCS7

سامانه PCS7 یک سامانه کنترل یکپارچه و هماهنگ را برای تمامی بخش‌های یک پلنت فرآیندی، از مرحله آغازین تا مرحله نهایی که به تولید محصولات ختم می‌شود، ارایه می‌دهد. به طوری که این سامانه‌ یکپارچه شامل اجزای قدرتمندی از اتوماسیون یکپارچه (TIA) زیمنس می‌باشد که به وسیله تجهیزات یکپارچه زیمنس و سامانه‌‌های اتوماسیون پیشرفته در مراحل مختلف تولید صنعتی از قبیل انتقال مواد، مراحل اولیه تولید، بسته‌بندی و غیره امکانات خوبی را فراهم می‌کند.
این سامانه به دلیل طراحی ماژولار و معماری باز آن، از قابلیت مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری خوبی برخوردار است به طوری که قابلیت بکارگیری در پلنت‌های کوچک با تعداد نقاط اندازه‌گیری در حدود 160 سیگنال (موتور، شیر کنترل، حسگر و ….) نظیر سامانه‌‌های آزمایشگاهی و در سامانه‌‌های بزرگ تر با معمای خدمت ‌دهنده- خدمتت ‌گیرنده و با تعداد سیگنال ورودی خروجی تقریبی 60 هزار عدد را دارد.

شکل 3- دامنه کاربرد سامانه کنترل فرآیند PCS7

3- معماری

سامانه کنترل فرآیند PCS7 به عنوان یک سامانه DCS سطوح مختلف اتوماسیون صنعتی و غیر صنعتی را پوشش می‌دهد. به عبارت دیگر سامانه‌ PCS7 لایه‌های مختلف مطرح در معماری یک DCS نظیر لایه‌های فیلد، کنترل، MES و ERP را تحت پوشش قرار می‌دهد که در هر یک از این لایه‌ها سامانه‌‌های مختلفی برای انجام وظایف خاصی ایفای نقش می‌کنند. بنابراین از نقطه نظر معماری لایه‌‌ای در DCS‌ها، سامانه PCS7 را می‌توان به بخش‌های زیر تقسیم‌ کرد:
• سطح فیلد یا تجهیزات فیلد
• تجهیزات سطح کنترل یا کنترل‌کننده‌ها(ASها)
• سطح مانیتورینگ
• سطح سامانه‌های مدیریت اطلاعات MES/ERP
شکل 3 معماری سامانه PCS7 را به تصویر کشیده است.

شکل 4- معماری DCS سامانه کنترل فرآیند PCS7

اطلاعات فرآیندی جمع‌آوری شده توسط تجهیزات سطح فیلد، از طریق خطوط فیلدباس نوع Profibus-DP به کنترل‌کننده‌ها منتقل می‌گردد. کنترل‌کننده‌‌ها نیز همان طوری که در شکل 4 دیده می‌شود ‌سامانه‌های AS می‌باشند، که هسته سخت‌افزاری آن را پردازنده‌های (CPU) قدرتمند S7400 از خانوادهS7 تشکیل می‌دهد؛ به طوری که تنها سری 400 از این خانواده قابل بکارگیری می‌باشد. پردازنده‌های سری 300 از این خانواده را به دلیل نداشتن قابلیت مورد نیاز سامانه‌های DCS، نمی‌توان به عنوان سامانه‌ کنترل مرکزی بکار برد.
یکی از این قابلیت‌ها وقفه می‌باشد که در این سری پردازنده‌ها به طور کامل پیاده‌سازی و فعال نشده است. این کنترل‌کننده‌ها که از طریق یک شبکه اترنت صنعتی با هم در ارتباط هستند. می‌توانند یکی از سه نوع AS400 استاندارد یا معمولی AS400H و AS400FH باشند. شبکه‌ای که ASها را به هم متصل می‌کند، به «گذرگاه فرآیند» مرسوم بوده و از نظر پروتکل فیزیکی از نوع اترنت صنعتی با نرخ انتقال داده 100Mbps می‌باشد.
سطح پایش را رایانه هایی تحت عنوان خدمت دهنده ‌و خدمت گیرنده تشکیل می‌دهد که بر روی شبکه اترنت نصب می‌گردند. در اصطلاح PCS7، به این رایانه ‌ها OS گفته می‌شود. آرشیو‌سازی داده‌های فرآیند مانند پیام‌ها، آلارم‌ها و مقادیر فرآیندی می‌تواند بر روی خدمت ‌دهنده اصلی انجام شود ولی در صورت نیاز می‌توان یک خدمت ‌دهنده مجزا که به خدمت ‌دهنده CAS مرسوم است، را نیز برای آرشیو داده‌ها در نظر گرفت.
در سطوح بالاتر، PCS7 به منظور بکارگیری سامانه‌‌های مدیریت اطلاعات، با سامانه‌هایی چون ERP و MES در ارتباط می‌باشد. همچنین سامانه PCS7 قابلیت افزونگی را در تمام سطوح سامانه اتوماسیون فرآیند ارایه و پشتیبانی می‌کند. در بالاترین سطح معماری خدمت ‌دهنده‌ – خدمت ‌گیرنده، سامانه کنترل فرآیند، تا 32 عدد ایستگاه‌ اپراتوری را در دسترس یک خدمت دهنده (OS/batch) تکی قرار می دهد.

4- سامانه اتوماسیون (AS) PCS7

همان طور که در بالا اشاره شد، هسته مرکزی سامانه اتوماسیون PCS7 را پردازنده‌های سری S7400 تشکیل می‌دهند؛ از این رو سامانه اتوماسیون بسته به نوع پردازنده به کار رفته در آن شناخته می‌شود. سامانه اتوماسیون در PCS7 یکی از سه نوع زیر می‌باشد.

   4-1- سامانه اتوماسیون AS400

در این نوع پیکربندی سامانه اتوماسیون AS تنها دارای یک پردازنده S7400 بوده و در کاربرد‌های معمولی که فاقد خطر می‌باشد و همچنین به قابلیت افزونگی نیازی نیست از این نوع AS استفاده می‌شود.

   4-2-سامانه اتوماسیون AS400H

در این نوع سامانه از پردازنده‌ی نوع H استفاده می‌شود. حرف H در این نوع سامانه به قابلیت «افزونگی داغ» اشاره دارد و دارای دو CPU از نوع 400H می‌باشد. این سامانه در فرآیند‌هایی کاربرد دارد که در آنها توقف عملیات فرآیند غیرمجاز می‌باشد.
سامانه اتوماسیون AS 414H و AS 417H با داشتن قابلیت افزونگی داغ از طریق یک «پردازنده ارتباطی CP» به گذزگاه پلنت متصل می‌گردد. برای رسیدن به سطوح بالاتر افزونگی، می‌توان از دو عدد CP استفاده کرد.

   4-3-سامانه اتوماسیون AS400FH

پردازنده‌های به کار رفته در این سامانه نیز علاوه ‌بر قابلیت افزونگی، مشخصه «ایمن در برابر خطا» را نیز دارند. این سامانه در محیط‌های پرخطر که نیاز به ایمنی بالا و افزونگی دارد، به کار گرفته می‌شود. شکل 5 نمایی از پردازنده‌های به کار رفته در سامانه‌های اتوماسیون (AS) را نشان می‌دهد.
به طور کلی کابینت یک سامانه‌ی اتوماسیون AS شامل اجزای سخت‌افزاری زیر می‌باشد:
• رک برای قرارگیری کارت‌ها و پردازنده
• منبع تغذیه PS
• پردازنده CPU
• کارت‌‌های شبکه
اجزای دیگر مانند کارت حافظه و باتری پشتیبان نیز می‌تواند به صورت اختیاری اضافه شود.

شکل 5- سامانه اتوماسیون، الف-AS400، ب- AS400H، ج- AS400FH

ادامه دارد

جهت مطالعه قسمت قبلی اینجا کلیک کنید

منابع و مراجع

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

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

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

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

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

[6] SPPA-T2000 User Documentation, Version 8.5

[7] SPPA-T2000 User Documentation, Version 7.4

[8] TELEPERM XP System Overview, Siemens Power Generation,

http://www.pg.siemens.com/en, 2002