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