2-7

با توجه به تعاريف فوق بهترين نوع اتصال ادوات FCS توپولوژي Tree مي باشد. به دلايل قيد شده در ذيل ، تعداد ادوات قابل اتصال به هر Segment محدود مي باشد. كيفيت سيگنال با افزايش تعداد ادوات متصل به يك سگمنت در مجموع طول كابل افزايش مي يابد ، اين طول تبايد بيشتر از 1900 متر و حداكثر طول يك Spur (در عمل) نبايد بيش از 120 متر باشد و اين طول در كيفيت سيگنال تاثير دارد. جريان و ولتاژ اعمالي توسط منبع تغذيه ، ولتاژ دريافتي هروسيله بايد مابين 9 تا 32 ولت مستقيم باشد. تعداد ادوات واقع در هر سگمنت FCS نيز وابسته به منبع ولتاژ منبع تغذيه ، مقاومت خط و جريان مصرفي ادوات محدود مي شود . انتها ي هر كابل با يك Terminator با امپدانس 100Ω محدود مي شود.

اين امر كابل اينسترومنتي را به عنوان يك مسير انتقال متعادل جهت انتقال يك سيگنال با فركانس نسبتا بالا با كمترين اعوجاج و نويز ممكن مي سازد.

ادوات Fieldbus مجهز به سيستم ميكروپروسسوري بوده و مي توانند بخشي از كار كنترلي را به عهده بگيرند. اين عمل با بارگذاري بعضي از توابع كنترلي (Function Block)FB در حافظه اين ادوات ممكن مي گردد. اين بلوك ها در مجموعه اي به نام

Function Block Library قرار داده شده اند و به عنوان ابزاري قدرتمند در رسيدن به اهداف كنترل فرايند به كار گرفته مي شوند. هرچه تعداد اين بلوك هاي بازگذاري شده در ادوات يك سگمنت بيشتر باشد، به همان نسبت حجم اطلاعات ارسالي و دريافتي بيشتر و در نهايت پردازش آنها زمان بر خواهد بود.

زمان اجراي عمليات كنترلي در هر لحظه ، فاصله زماني ورود يك سيگنال از يك ورودي آنالوگ تا خروج سيگنال از يك خروجي آنالوگ در يك حلقه كنترلي مي باشد. براي هر سگمنت يك بازه زماني تعريف مي شود كه اين بازه بايد براي اجراي عمليات كنترلي و جابجايي كليه اطلاعات موجود برروي آن سگمنت كافي باشد. واضح است كه هر چه تعداد ادوات در يك سگمنت زياد باشد به زمان زيادي جهت اجراي عمليات كنترلي و جابجايي اطلاعات نياز خواهد بود.

براي بالا بردن ضريب اطمينان(Risk assessment) و بخاطر اينكه در مواقع بروز مشكل براي يك وسيله ، حلقه هاي كنترل زيادي از سرويس خارج نشوند، براي هر سگمنت فقط يك حلقه كنترل در نظر مي گيرند و بقيه ادوات متصل به سگمنت كار غير كنترلي داشته و يا به عنوان Indicator بكار بردن مي شوند. در نتيجه در تعداد ادوات اتصالي به يك سگمنت محدوديت وجود خواهد داشت. كارتهاي ورودي/ خروجي سريال (Serial I/O) در FCS كه كارتهاي H1 ناميده مي شوند، جايگزين كارتهاي ورودي/ خروجي 4-20mA

(Traditional I/O) در DCS شده اند. كارتهاي H1 كا ارتباط ادوات فيلد را با شبكه FCS بر قرار مي كنند،نياز به مارشالينگ كابينت و سيم بندي خاصي ندارند و در حال حاضر مي توان تا 16 دستگاه از ادوات فيلد را به آن وصل نمود، ولي هيچكدام از سازندگان Fieldbus قرار دادن بيش از 10 دستگاه از ادوات فيلد را توصيه نكرده و تضمين نمي كنند.

3-7 مقايسه DCS & FCS و مزايا و معايب آنها نسبت به يكديگر:

FCS براي راهبري اهداف كنترلي از FB هاي استاندارد شده مانند   AI (Analog Input)،AO Analog Outputو ‍PID استفاده مي كند. همانطور كه گفته شد اين FB ها در حافظه ادوات فيلد بارگذاري مي شوند. با اين عمل سيستم كنترل از اتاق كنترل به فيلد منتقل گشته و به تبع آن باعث كاهش سخت افزار مي گردد.(شكل 1-3)

Figure 3-1:Function Block

با اينكه ادوات كنترل پروسسي داراي پايداري بالاو احتمال خراب شدن آنها كم مي باشد، ولي با اين وجود اين احتمال وجود دارد و مي توان در طراحي سيستم كنترل اين خطا را تا حد زيادي كاهش داد: اولا با ايجاد سطوح مختلف كنترلي و قرار دادن ادوات تك در پايين ترين سطح، ثانيا ايزوله كردن آنها از سطوح بالاتر توسط Barrier يا Isolator جهت جلوگيري از انتقال خطا به سطح بالاتر، ثانيا قرار دادن اغلب سخت افزارهاي سطوح بالاتر بصورت Redundancy .(

براي فيلد باس H1 جداسازي خطاي سيم بندي بكار رفته است. بدين معني كه جهت اطمينان بيشتر ادوات در چندين شبكه (H1 Segment) مستقل تقسيم مي شوند كه در صورت بروز خطا در ادوات يك لوپ، فقط در همان شبكه H1 اين خطا محدود مي شود. كه البته اخيرا كارتهاي H1 نيز به صورت Redundancy طراحي و توليد شده است.

مهمترين سوال اين است كه در صورت قطع سيمي كه تا ده وسيله به آن وصل است چه اتفاقي مي افتد؟

در صورت بروز خطا در يك كارت ورودي / خروجي (4-20mA I/O Card) سيستم DCS كه اغلب Redundant نيز مي باشد، باعث از سرويس خارج شدن آنها مي شود و اين روند در FCS نيز با قطع يك جفت سيم وجود دارد كه در صورت قرار گرفتن حتي شانزده وسيله(هشت لوپ) در يك سگمنت(H1) هر هشت لوپ از سرويس خارج خواهد شد، كه اين درمقوله از پايداري نسبت پايداري هردو يكسان مي باشد. بطور خلاصه اينكه با بروز يك خطا در هر دو سيستمFCS و DCS احتمال از سرويس خارج شدن هر هشت لوپ وجود دارد. در DCS جهت لوپهاي حساس و مهم اغلب كارتهاي

Redundant I/O در نظر مي گيرند و در صورت بروز خطا در سيم واقع شده در فيلد يك لوپ از سرويس خارج مي شود كه اين كار در FCS نيز با قرار دادن تعداد كمتري از لوپهاي مهم (حداكثر دو لوپ) در يك شبكه FCS(H1 Redundancy) امكان پذير بوده و از اين لحاظ نيز مشاهده مي شود كه ضريب پايداري(در صد خطا) همچون DCS مي باشد.

در صورت عدم استفاده از كارتهاي H1 به صورت Redundant ، جهت بالا بردن ضريب اطمينان و ايمني ، تركيب I/O ها طوري در نظر گرفته مي شودكه در هر كارت H1 بيش از يك لوپ كنترلي- شامل يك Control Valve و يك ترانزميتر قرار نگرفته باشد و ساير I/O هاي باقيمانده در كارت H1 به منظور كارهاي غير كنترلي يا نشان دهنده استفاده مي شود. با طراحي و توليد كارت H1 به صورت Redundant و گذرندن مراحل تست و اخذ تاييديه كميته FCS مي توان تعداد لوپها ي كنترلي در نظر گرفته شده در يك كارت H1 و يك سگمنت را تا دو لوپ كنترلي افزايش داد.

مهمترين مزيتي كه تجهيزات فيلد در FCS دارند اين است كه در صورت بروز خطاي خروجي آن وسيله به حالت Fail Safe رفته و فرمانهاي متناسب با شرايط مستقل از اپراتور و كنترلر مركزي را صادر مي كند و ممكن است به حالت از قبل مشخص شده رفته و يا در موقعيت مطمئن ( يا آخرين مقدار) قرار گيرد ، و اين عمل (Fail safe) ممكن است در صورت بروز خطا در سنسور، خود وسيله ويا ارتباط وسيله با كنترل مركزي صورت گيرد و تمام اين خطا ها به اپراتور گزارش مي شود (حتي قطع هواي ابزار دقيق ارسالي به سر Control Valve) . در DCS اين قابليت ها محدود بوده و در صورت بروز خطا مثلا در ترانسميتر ممكن است حداكثر يا حداقل را در خروجي قرار دهد كه از قبل بايستي توسط يك سوئيچ سخت افزاري در آن تنظيم شود.

مزاياي ديگر عبارتند از:

 كاهش تعداد§ Barrier هاي مورد استفاده در داخل كابينت ها.

كاهش سيم كشي و§ سيم بندي در داخل كابينت ها و درفيلد و به تبع موارد فوق كاهش حجم كابينت هاي مارشالينگ (Marshaling Cabinets) كنترل ((Control Cabinet نسبت به DCSو DDC.

 كاهش سيم كشي§ در فيلد و به تبع آن كاهش متعلقات سيم كشي شامل Tray،Boxو...

 صرفه جويي در§ هزينه و كاهش زمان نصب سيستم كنترلي و ادوات فيلد

 زمان§ Commissioning&Start-up در صورت صحيح بودن طراحي FCS تا يك هشتم مشابه ازنوع‌Conventional نيز كاهش مي يابد.

 اعمال تغييرات§ Configuration سيستم Analog/Digital 10% سريعتر از سيتم آنالوگ مي باشد.

 خاصيت§ Interoperability ادوات FCS: قابليت بكار بردن ادوات مختلف فيلد باس در يك سيستم ، بطور مستقل از كارخانه سازنده، بطوريكه كوچكترين تغييري در عملكرد و آرايش همان سيستم ايجاد نشود. به دليل خاصيتInteroperability مي توان در خريد قطعات و توسعه واحد، اين قطعات را بابالا ترين كيفيت و قيمت نازل انتخاب كرد. اين امر بدليل كثرت توليد كنندگان و رقابت بين شركتهاي سازنده FCS مي باشد. جهت اضافه كردن يا بكار بردن ادوات سازندگان متفاوت در يك شبكه FCS،( بدون كم شدن از قابليت ها و توابع آن وسيله) نياز است تا برنامه اي از طرف سازندگان به خريدار ارائه گردد، كه اين برنامه به زبان DDL (Device Description Language) نوشته شده و قابل اجرا در تمام سيستمها ي كنترل مركزي FCS بوده و تمام اطلاعات لازم جهت شناساندن وسيله به كنترل مركزي Host را شامل مي شود. اين اطلاعات ابزاري براي كاليبره و عيب يابي وسيله بوده و شامل تمام بلوك هاي استاندارد مي باشد و همواره از طرف سازندگان، ويرايش جديد آن توسط افزودن توابع جديد به ادوات نصب شده قبلي ارائه مي شود.

 بنا به دلايلي§ كه در بالا قيد گرديد نيازي به نگراني بابت تهيه قطعات يدكي و انبار كردن آنها نمي باشد ، در نتيجه هزينه صرف شده بابت خريد Spar Part را مي توان تقليل داده و از انبار كردن قطعات اضافي صرف نظر كرد.

 قابليت توسعه§ و تغيير در اين سيستم (FCS) خيلي آسان بوده و نياز به كارتهاي I/O سيم بندي جديد، اضافه كردن فضاي داخل كابينت ها ، كارتهاي مبدل و .... نمي باشد.

 به توجه به§ دومورد اخير كه يكي از مهمترين مزاياي سيستم كنترلي FCS مي باشد، نيازي به خريد يك سيستم براي مجتمع هايي كه برنامه توسعه داشته باشند يا برنامه نصب آنها به تدريج صورت مي گيرد، نمي باشد. زيرا سيستم FCS قابليت رشد و توسعه در اندازه بزرگ را نيز دارا مي باشد.

 به دليل§ اطلاعات ديجيتالي و Handshaking كه با ادوات فيلد دارد، ديد وسيعي را نسبت به اين ادوات داشته و سيستم يكپارچه اي را تشكيل مي دهد.به عبارت ديگر در سيستم كنترلي DCS اطلاعات كنترلي كافي،ولي اطلاعات مديريتي نسبت به سيستم FCS كمتر مي باشد. ولي در سيستم كنترلي FCS علاوه بر اينكه اطلاعات كنترلي بيشتر از DCSبوده بلكه اطلاعات مديريتي خيلي بيشتر از DCS مي باشد، و در كل از ديدگاه مديريتي FCS نسبت به DCS، ديد وسيع و بيشتري را از نظر اطلاعاتي به مديريت مي دهد.

 ضمنا جهت بدست§ آوردن ضريب تصحيح و اعمال آن در اندازه گيري، لازم است تا دو متغير همزمان(فشار يا دبي همراه با دماي سيال) اندازه گيري شوند. با توجه به قابليت Multi-Variable ترانسميترهاي FCS،صرفه جويي قابل ملاحظه اي در خريد و نصب ادوات اندازه گيري مي توان انجام داد.

 در FCS علاوه§ بر سيگنالهاي اندازه گيري شده، اطلاعات كاملي از دستگاه نصب شده در فيلد در اختيار اپراتور قرار مي گيرد. اين اطلاعات شامل: زمان تغيير دستگاه طبق تشخيص خود دستگاه(Self Diagnostic)، اطلاعات كاليبراسيون شامل جدول زمانبندي و اطلاعات داده شده به خود دستگاه شامل : محل،زمان، روش،شخص كاليبره كننده و...،شرايط محيط،وضعيت PV, MV، به عهده گرفتن قسمتي از كار كنترلي توسط بلوك هاي (Function Block) كارهاي ديگر مي باشد

با استفاده از بلوكهاي توابع استاندارد شده (Standard Function Block) SFB و انتقال آنها با استفاده از بلوكهاي توابع استاندارد (SFB) و انتقال آنها با استفاده از تكنولوژي FCS به فيلد و واگذاري بخشي از كارهاي كنترلي به ادوات فيلد ، بار كنترلي در اتاق كنترل و حجم اطلاعات تبادلي از ادوات فيلد با اتاق كنترل ،كاهش يافته كه يكي ديگر از مزاياي سيستم FCS به شمار مي رود.

Figure 3-4

معايب فيلد باس

يكي از معايب بزرگ فيلد باس گراني ابزارات دقيق آن مي باشد كه انتظار مي رود در آينده نزديك قيمت اين ادوات كاهش يابد.

يكي ديگر از معايب فيلد باس محدود بودن تعداد ابزارات در يك شبكه فيلد باس است.

4-7 انواع بلو كهاي استاندارد

بلوكهاي متفاوتي با كاربردهاي مختلف در FCS وجود دارد كه در زير به توضيح برخي از آنها پرداخته مي شود:

1-4-7 Resource Block:اين بلوك (RB) مشخصات وسيله ابزار دقيقي همچون نام وسيله، سازنده و شماره سريال وسيله را بيان مي كند و فقط يك RB در هر وسيله موجود دارد.

2-4-7Function Block : اين نوع بلوكها (FB) رفتار كنترلي سيستم را فراهم مي سازد. چندين FB مي تواند در يك وسيله بارگذاري شود كه بعضي از آنها استاندارد بوده و كنترل اصلي و اساسي را بر عهده دارند. بلوكهاي استاندارد مي توانند بر حسب نياز و كاربرد در داخل ادوات فيلد بار گذاري شوند. براي مثال يك

Temperature Transmitter ممكن است حاوي يك بلوك از نوع AI FB و يك Control Valve شامل يك بلوك PID FB و همچنين AO FB باشد.

Figure 4-1

بنابراين يك لوپ كنترلي كامل مي تواند با بكارگيري يك ترانزميتر ساده و يك كنترل ولو، در سيستم فيلد باس تشكيل شود. در حالي كه در سيستمهاي كنترلي Traditional، در كنار ترانزميتر و كنترل ولو، به جهت عدم وجود مفهومي به نام Function Blocks، نيازبه يك كنترلر و در كنار آن مبدل جريان الكتريكي به فشار هوا ، جهت انجام عمل كنترلي داريم. لذا ملاحظه مي شود كه با بكارگيري ادوات فيلد ، لوپ كنترلي ، ساده و البته مطمئن تر مي شود.

3-4-7: Transducer Block: يك TB كار ارتباط بلوكهاي توابعي FBs را از I/O مورد نياز توابع سخت افزار و سنسورهاي دستگاه بر عهده دارد و شامل اطلاعاتي از قبيل تاريخ كاليبراسيون و نوع سنسور مي باشد هر ورودي /خروجي FB فقط شامل يك كابل TB مي باشد

4-4-7: Flexible Function Block: بلوكهاي FFB شبيه بلوكهاي FB بوده، مگر در كاربرد، سفارش، تعريف پارامترهاي بلوك و زمان لازم جهت اجراي بلوك ، كه جهت اجراي بلوك كه توسط ابزار برنامه نويسي مشخص و تعيين مي شود. FFB عموما جهت مقاصد كنترلي فرايندهاي گسسته و فرايندهاي گروهي Process) (Batch بكار مي روند و توسط اين بلوكها حتي مي توان كارايي يك سيستم PLC را نيز شبيه سازي كرد.

عموما در معماري اتاق كنترل، تكنولوژي FCS را نمي توان بر كل سيستم در نظر گرفت و اعمال كرد. زيرا چندين سيستم در اتاق كنترل بكار برده مي شود كه از نظر سخت افزاري و نرم افزاري خواص و امكانات فيلد باس را ندارد، و يا بخشي از قابليت هاي فيلد باس را دارا مي باشند، از طرف ديگر تمام ادوات فيلد قابليت تكنولوژي FCS را نداشته و بعضي از آنها به DCS وصل مي شوند. به عنوان مثال با توجه به عدم وجود تكنولوژي FCS در مورد ورودي /خروجيهاي ON/OFF(سوئيچ ها) و با توجه به پروتكل خاص

Vibration Transmitter ها ارتباط اين ادوات با سيستم كنترلي از نوع Traditional 4-20mA خواهد بود.

همچنين با توجه به اينكه سيستم FCS گواهي و استاندارهاي لازم را در مورد ESD،Emergency Shut Down) (و Fir&Gas System تاكنون اخذ نكرده است ، لذا اين دو سيستم نيز از نوع Traditional خواهد بود. در حال حاضر سيگنالهايي كه قابليت اتصال به سيستم FCS را دارند شامل وروديهاي آنالوگ و براي ترانزميترها و بعضي آنالايزر ها و خروجيهاي آنالوگ براي ‍‍Positioner ها و محركهاي الكتريكي مي باشد.