مقدمه

تا قبل از قرن 20 میلادی، سیستم‌­‌های کنترل فرآیند مبتنی بر تکنولوژی مکانیکی و وسایل  آنالوگ بودند؛ پس از مدتی تکنولوژی کنترل پنوماتیکی و هیدرولیکی مطرح گردید که کنترل سیستم‌­‌های از راه دور[1] را توسط کنترل‌­کننده مرکزی امکان‌­پذیر ساخت. در اوایل سال 1960 بود که PLC[2]ها پا به­ عرصه وجود گذاشتند و به تدریج جایگزین مدارات رل‌‌های شدند. با توسعه PLCها بحث کنترل غیرمتمرکز مطرح شد و اولین سیستم‌­‌های کنترل غیرمتمرکز یا DCS[3]ها در اواسط سال 1970 عرضه شدند؛ پس از مدتی ایده گسترده ­شدن سیستم‌­‌های SCADA[4] مطرح شد و بر اساس آن کنترل تجهیزات در واحد صنعتی از راه دور در مسافت­‌های بسیار طولانی امکان‌­پذیر شد. واژه اسکادا به مفهوم کنترل نظارت و جمع آوری اطلاعات می‌باشد. سیستم‌‌های اسکادا شبکه‌ای از تجهیزات سخت افزاری/نرم‌افزاری به منظور کنترل و جمع آوری اطلاعات یک پروسه صنعتی که از نظر جغرافیایی در سطح وسیعی گسترده شده است و همچنین ارسال این اطلاعات به مرکز مدیریت و نظارت که شامل نرم‌افزار‌های نمایش گرافیکی جهت پردازش اطلاعات و نظارت بر چگونگی انجام فرآیند و همچنین اعمال دستورات لازم در صورت نیاز به بخش فیزیکی پروسه صنعتی می‌باشد. فرآیند‌هایی که تحت نظارت سیستم اسکادا می‌باشد از نظر زمانی جزء دسته سیستم‌‌های زمان واقعی یا بلادرنگ سخت قرار می‌گیرند. فرآیند‌های سیستم‌‌های بلادرنگ سخت فرآیند‌هایی می‌باشند که پاسخ دهی به دستورات در این سیستم‌ها باید بدون هیچ گونه تأخیری انجام گیرد. با نگاهی به پیشینه­ این سیستم‌ها می‌توان دریافت سیستم‌‌های اسکادا در ابتدا شبکه‌‌های مجزا بودند و بدون هیچ وابستگی با شبکه‌‌های دیگر در وسعت بسیار کوچک وظیفه کنترل فرآیند‌های صنعتی را بر عهده داشتند. این سیستم‌ها بدلیل آنکه فرآیند‌های زمان واقعی را کنترل می­کردند، برای ارتباطات خود به منظور انتقال دستورات و دریافت اطلاعات از پروسه صنعتی، پروتکل‌‌های بسیار ساد‌های را مورد استفاده قرار می‌دادند که هیچ گونه تدابیر امنیتی از جمله رمزنگاری و اهراز هویتی در آن‌ها لحاظ نشده و تنها هدف طراحی استفاده از آنها سادگی و سرعت انتقال بالا بوده است. پس از گذشت زمان و رشد روز افزون سیستم‌‌های کنترلی و همچنین استفاده از اینترنت برای انتقال اطلاعات و دستورات، این سیستم‌ها با شبکه‌‌های دیگر مانند شبکه‌‌های تجاری و فناوری اطلاعات ترکیب شدند. ترکیب سیستم‌‌های صنعتی با شبکه اینترنت چالش‌‌های امنیتی بسیاری را برای سیستم‌‌های اسکادایی به وجود آورد که هیچ‌گونه تدابیر امنیتی پیش از این برای آن در نظر گرفته نشده بود.

 

1-1- زیرساخت‌‌های نیازمند سیستم‌‌‌های کنترل صنعتی و اسکادا

سیستم‌‌‌های کنترل صنعتی و اسکادا، بیشترین کاربرد را در سیستم‌­‌هایی دارد که در گستره وسیعی پخش شده‌اند، کنترل و مانیتوینگ نسبتا ساد‌های دارند و نیازمند عملیات متناوب و غیرمتناوب می‌باشند. گستردگی کاربرد ICS/SCADA در تاسیسات مختلف، بیانگر نیازمندی این صنایع به آن است؛ در مثال­‌های زیر نمون‌های از تاسیسات گوناگون، که ICS/SCADA برطرف­ کننده نیاز آن‌هاست، آورده شده‌اند:

• نیروگاه­‌های برق، شبکه‌‌های انتقال و توزیع
• تاسیسات استخراج نفت خام و گاز و سایر سیالات
• خطوط انتقال و ایستگاه‌‌های توزیع مشتقات نفت و مواد شیمیایی
• سد‌ها و آب‌‍بند‌ها
• زیرساخت‌‌های آب و فاضلاب
• زیرساخت‌‌‌های حمل و نقل(مانند مترو)
• کارخانه‌‌های مهم کشور، مانند کارخانه‌‌های تولید خودرو
• زیرساخت‌‌های انرژی هسته‌ای و زباله‌‌های اتمی
• و...

در شکل زیر به عنوان مثال خطوط لوله‌ استخراج و انتقال گاز از دریاچه خزر و همچنین خلیج فارس به طول 1800 کیلومتر در سطح کشور پیاده‌سازی شده است که در بین راه 72 توربین و کمپرسور گریز از مرکز ایستگاه‌های توزیع را تشکیل می‌دهند.

 

1-2- انواع سیستم‌­‌های اسکادا

سیستم‌‌های اسکادا با توجه به اینکه شرکت‌‌های مختلفی در سراسر دنیا تجهیزات سیستم‌‌های صنعتی از جمله تجهیزات سیستم‌‌های اسکادا را تولید می‌کنند دارای انواع مختلفی هستند. از شرکت­‌های سازنده PLC می­توان Siemens، Allen Bradlly، ABB، Omron و... را نام برد. هر کدام از این شرکت‌ها تجهیزات نرم‌افزاری/سخت‌افزاری مخصوص به خود را ارئه می‌دهند. مهمترین برند‌‌های تولید کننده سیستم‌‌های کنترل صنعتی و اسکادا که در کشور بیشترین استفاده را دارند عبارتند از:

• سیستم اسکادای شرکت زیمنس آلمان
• سیستم اسکادای شرکت اشنایدر فرانسه
• سیستم اسکادای شرکت یوکوگاوای ژاپن
• سیستم اسکادای شرکت ABB ایالات متحده

 

تعدادی از این دارای پروتکل‌‌های مشترک در ساختار شبکه خود می‌باشند، ولی تفاوت‌‌های عمده ای این سیستم‌ها با یکدیگر دارند که از جمله می‌توان تفاوت در کنترل کننده‌‌های مورد استفاده در این سیستم‌ها، نحوه­ی برنامه نویسی این کنترل کننده‌ها، نرم‌افزار‌های برنامه نویسی و مانیتورینگ، بخشی از پروتکل‌‌های مورد استفاده در این سیستم‌ها و غیره می‌باشد. علاوه بر اختلافات ساختاری سیستم‌‌های‌ اسکادا، این سیستم‌ها از نظر کاربرد دارای اختلافاتی می‌باشند به عنوان مثال سیستم اسکادای زیمنس بیشتر در زیر ساخت‌‌های حیاتی انرژی هسته ای و حمل و نقل کاربرد دارد و سیستم اسکادای اشنایدر در صنایع گاز و نفت، و سیستم اسکادای یوکوگاوا در زیرساخت‌‌های نفت کاربرد دارند. در این مقاله سعی شده است که ساختار کلی این سیستم‌ها ارائه و همچنین پروتکل‌‌های مورد استفاده در اکثر شبکه‌‌های سیستم‌‌های اسکادا بیان شود.

1. پروتکل‌‌های متناظر با برند تولید کننده

1-3- ساختار و نحوه عملکرد سیستم‌­‌های مدرن ICS/SCADA

در سیستم‌­‌های مدرن تولید و صنایع فرآیندی، غالبا سیستم‌­‌های تله­متری برای ارتباط تجهیزات و سیستم‌­‌هایی که در فواصل طولانی قرار دارند مورد نیاز است. فواصل بین تجهیزات می­تواند از چندمتر تا چندین هزار کیلومتر تغییر کند. تله­متری به­منظور ارسال دستورها و برنامه‌ها و نیز دریافت اطلاعات برای نمایش موقعیت­‌های دوردست استفاده می‌شود. سیستم ICS/SCADA ترکیبی از سیستم تله­متری و سیستم اکتساب داده[5] است و شامل جمع­آوری اطلاعات، انتقال آن‌ها به مرکز اصلی، تحلیل اطلاعات و نمایش آن‌ها روی تعدادی از صفحات یا تابلو‌های نمایش می‌باشد؛ در این سیستم همچنین فرمان­‌های کنترلی مورد نیاز به فرآیند منتقل می‌شوند. امروزه اکتساب داده توسط مدارات الکترونیکی منطقی برای کنترل تولید و فرآیند‌های موجود در کارخانه‌ها استفاده می‌شود؛ با پیدایش پردازشگر‌های قوی و دیگر تجهیزات الکترونیکی، سازندگان این تجهیزات به­ تدریج سیستم‌­‌های دیجیتال پیشرفته­‌تری را با مدارات منطقی اولیه جایگزین کردند؛ کنترل‌­کننده­‌های منطقی برنامه­پذیر (PLC)[6] از جمله تجهیزاتی می‌باشد که به ­طور گسترده در کنترل فرآیند‌های صنعتی کاربرد دارند و این تجهیزات در صورت نیاز به­ منظور مانیتورینگ و کنترل دستگاه‌ها در سیستم‌­‌های کنترل گسترده (DCS)[7] استفاده می‌شوند. شکل زیر یک سیستم DCS را نشان می‌دهد.

1. نمایی از یک سیستم DCS

مزایای استفاده از PLC/DCS در سیستم‌­‌های SCADA به شرح زیرند:

• کامپیوتر مرکزی امکان ثبت و ذخیره­سازی حجم زیادی از اطلاعات را خواهد داشت.
• داده‌ها می‌توانند به صورت‌‌های مختلفی که مورد نیاز کاربر است نمایش داده شوند.
• هزاران حسگر در سطح گسترد‌های می‌توانند به سیستم متصل شوند.
• کاربر می­تواند با استفاده از داده­‌های واقعی سیستم را شبیه­ سازی کند.
• انواع مختلفی از داده‌ها می‌توانند از RTUها جمع­آوری شوند.
• داده‌ها به طرق مختلفی در هر محل قابل مشاهده خواهند بود.

 

سیستم‌‌های کنترل صنعتی شرکت زیمنس

اولین سیستم‌­‌های PLC با استفاده از رایانه­‌های معمولی در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970 پدید آمدند. سیستم‌‌های کنترل صنعتی اولیه و PLC‌ها اغلب در کارخانه­‌های خودروسازی مورد استفاده قرار می­گرفتند؛ معمولا کارخانه­‌های خودروسازی در هنگام تغییر مدل بیش از یک ماه متوقف می­شدند؛ برای کاهش زمان تغییر مدل از PLC‌های اولیه و تکنیک­‌های اتوماسیون استفاده شد؛ یکی از مراحل زمان­بر در تغییر مدل، سیم­کشی رله­‌های جدید یا اصلاح­شده و تابلو‌های کنترل بود؛ قابلیت برنامه­ریزی PLCها از سیم­کشی مجدد تابلوی پر از سیم، رله، تایمر و سایر اجزا جلوگیری می­کرد و در نتیجه زمان تغییر مدل به چندروز کاهش پیدا می­کرد.

2. تجهیزات سیستم‌‌های کنترل صنعتی برند زیمنس

در کشور ما نیز اغلب صنایع بزرگ نظیر نفت، گاز، پتروشیمی‌و نیروگاه‌ها استفاده از سیستم‌‌های کنترل صنعتی زیمنس را ترجیح می­دهند، بطوری که در حدود 65% از تجهیزات بکار رفته در زیرساخت‌‌های صنعتی کشور تولید شرکت زیمنس بوده‌اند. اما بعد از وقایع مربوط به استاکس‌نت در زیرساخت‌‌های انرژی اتمی‌که تجهیزات این شرکت در آنجا مستقر بود و اثبات همکاری سازمان‌‌های اطلاعاتی کشور‌‌های متخاصم با زیمنس، سازمان پدافند غیر عامل طی بخش‌نامه‌ای استفاده از تجهیزات این برند را به شدت محدود کرد. ولی با توجه به در اختیار داشتن بخش وسیعی از بازار ایران در خصوص نیاز‌‌های ثانویه و همچنین تعمیر، همچنان زیرساخت‌‌های کشور به این شرکت وابسته‌اند و این مهم اعمال بخش‌نامه محدودیتی را با مشکلات متعددی روبرو می‌‌کند.

اما به دلیل قابلیت­‌های پیشرفته تجهیزات کنترل صنعتی زیمنس و همچنین استاندارد بودن آن‌ها، آموختن نحوه کار با این تجهیزات دید بسیار خوبی نسبت به کنترل فرآیند و شبکه­‌های صنعتی ایجاد میکند. به جرات می­توان گفت کسی که با تجهیزات کنترل صنعتی سری S7 زیمنس آشنایی نسبتا خوبی داشته باشد به­راحتی و به سرعت می­تواند با تجهیزات کنترل صنعتی ساخت شرکت­‌های دیگر نیز آشنا شود. تجهیزات کنترل صنعتی شرکت زیمنس از بخش‌‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری متعددی تشکیل می‌شود. حتی شرکت زیمنس تجهیزات سطح فیلد را نیز که شامل سنسورها و محرک‌ها است را تولید می‌کند. برای کنترل یک فرآیند صنعتی بوسیله ادوات زیمنس، بجز تجهیزاتی که در سطح فیلد نیاز است، تجهیزات زیر این امکان را فراهم می‌آورند:

• رک قرارگیری ماژول‌ها
• ماژول تغذیه
• ماژول واحد پردازش مرکزی و حافظه[8]
• ماژول ورودی و خروجی[9]
• کارت­‌‌های ارتباطی[10]
• ماژول واسط و تابع[11]

 

2-1- ماژول تغذیه

منبع تغذیه، ولتاژ مورد نیاز PLC را تامین می‌کند؛ این منبع معمولا از ولتاژ 120 و 130 ولت، ولتاژ 24 و 5 ولت را ایجاد می‌کند. منابع تغذیه PLCها از نوع سوئیچینگ می‌باشند و ولتاژ آن‌ها کاملا تثبیت­شده است. برای اینکه اطلاعات موجود در حافظه نظیر برنامه کاربر، مقادیر شمارنده‌ها، تایمرها و بیت­‌های حافظه در صورت قطع تغذیه بدون تغییر باقی بمانند، از یک باتری پشتیبان از جنس لیتیوم استفاده می‌شود.

 

2-2- ماژول واحد پردازش مرکزی و حافظه

ماژول واحد پردازش مرکزی در حقیقت قلب سیستم است و وظیفه آن دریافت اطلاعات از ورودی‌ها، پردازش این اطلاعات مطابق دستور‌های برنامه و صدور فرمان­‌هایی است که به­صورت فعال یا غیرفعال نمودن خروجی‌ها ظاهر می‌شوند. واضح است که هر چه سرعت پردازش پردارشگر مرکزی بیشتر باشد زمان اجرای برنامه کمتر خواهد بود. ماژول واحد پردازش مرکزی شرکت زیمنس دارای انواع مختلفی است که بنا به فرآیند کنترل، انتخاب می‌شوند ولی تجهیزاتی که در کشور ما بیشتر استفاده می‌شوند معمولا سری 300، 400 و 1200 می‌باشد. در کنار این ماژول حافظه نیز تعبیه شده است. حافظه محیطی است که اطلاعات و برنامه کنترل در آن ذخیره می‌شود؛ علاوه­بر این سیستم­عاملی نیز که عهده­دار مدیریت کلی PLC است در حافظه قرار دارد. در PLC‌های زیمنس چهار نوع حافظه وجود دارد که به شرح زیر می‌باشد:

• حافظه بارگذاری[12]

• حافظه کاری[13]
• حافظه سیستمی[14]
• حافظه ماندگار[15]

 

2-2-1- نحوه عملیات واحد پردازش مرکزی

پردازش برنامه در CPU به سیکل اسکن[16] معروف است؛ در هر سیکل اسکن قبل از اجرای برنامه، CPU وضعیت تمام وودی‌ها را به‌طور یکجا می­خواند و در مکانی از حافظه موسوم به PII (جدول تصویر ورودی‌ها) ذخیره می­نماید؛ سپس شروع به اجرای برنامه می‌کند (برنامه در OB1 نوشته می‌شود). CPU در حین اجرای برنامه به ورودی‌ها مراجعه نمی‌کند و برای اطلاع از وضعیت هر ورودی از داده­‌های جدول تصویر ورودی استفاده می­نماید؛ قابل ذکر است که اگر در طول سیکل اسکن تغییراتی در ورودی‌ها حاصل شود این تغییرات تا سیکل اسکن بعدی به مکان تصویر ورودی‌ها منتقل نمی‌شود. PLC در حین اجرای برنامه نتایج حاصل را در مکانی از حافظه به نام PIQ ( جدول تصویر خروجی‌ها ) می­نویسد و در پایان بعد از اجرای کامل برنامه نتایج را به‌طور یکجا به خروجی‌ها ارسال می‌کند و پس از آن سیکل اسکن بعدی به همین ترتیب آغاز می‌شود. خواندن ورودی‌ها و ارسال خروجی‌ها به­صورت یکجا باعث صرفه­جویی قابل توجهی در زمان و کاهش زمان سیکل اسکن می‌شود. خواندن یا نوشتن با آدرس­دهی یک­به­یک به زمان زیادی احتیاج خواهد داشت و به همین دلیل در PLC چنین کاری انجام نمی‌شود. استفاده از جدول­‌های تصاویر ورودی و خروجی، امکان ست و یا ریست کردن هر یک از بیت­‌های ورودی و خروجی را مستقل از وضعیت فیزیکی آن‌ها فراهم می­سازد؛ این کار به هنگام عیب­یابی یا آزمایش یک برنامه مزیت بزرگی محسوب می‌شود؛ این قابلیت Forceکردن نامیده می‌شود.

این روش با وجود مزایایی که ذکر شد مسئل‌های به نام زمان پاسخ­دهی برنامه[17] را به­وجود می­آورد؛ زمان پاسخ­دهی مدت زمانی است که PLC صرف اسکن تمامی‌برنامه کاربر می‌کند؛ در این مدت تغییرات به­وجود آمده در ورودی‌ها، وارد جدول تصویر ورودی‌ها (PII) نمی‌شوند و خروجی‌ها نیز در وضعیتی باقی می­مانند که در اسکن قبلی بودند؛ این امر ممکن است در فرآیند‌های دارای تغییرات سریع مشکل­ساز باشد؛ این مسئله زمانی که برنامه کاربر طولانی است و مدت زمان زیادی صرف اسکن و اجرای آن می‌شود نمود خاص پیدا می‌کند؛ همچنین گاهی به­ دلیل ملاحظات ایمنی لازم است تغییرات آنی بعضی از ورودی‌ها مورد توجه مداوم قرار گیرند؛ در این­صورت ممکن است زمان پاسخ­دهی مانع از ثبت به­موقع این تغییرات شود؛ برای حل این مشکل در زبان S7 از دستور‌های آنی استفاده می‌شود. با توجه به سرعت بالای PLC‌های امروزی و کندی فرآیند‌های تحت کنترل، زمان پاسخ­دهی در شرایط عادی معمولا مشکل­ساز نیست. لازم به ذکر است در سیکل اسکن CPU‌هایی که از سال 1998 به بعد تولید شده‌اند یک جابجایی صورت گرفته است؛ بدین ترتیب که قبل از اجرای برنامه ابتدا خروجی‌ها به‌طور یکجا ارسال می­گردند سپس ورودی‌ها به ­طور یکجا خوانده می‌شوند و بعد از آن برنامه اجرا می‌گردد و به همین ترتیب سیکل اسکن بعدی آغاز می‌گردد.

 

2-3- ماژول‌‌های ورودی

این واحد محل ورود اطلاعات فرآیند تحت کنترل به PLC است؛ مدار‌های این واحد در PLC‌های کوچک جزئی از PLC می‌باشند. مدار‌های ورودی PLC‌های بزرگتر به­صورت کارت­‌های الکترونیکی مجزا ساخته می‌شوند. تعداد ورودی‌ها در PLC­‌های مختلف متفاوت است. حداکثر تعداد ورودی­‌هایی که یک PLC می­تواند داشته باشد به مدل CPU آن بستگی دارد؛ برای اطلاع از حداکثر تعداد ورودی­‌هایی که یک CPU پشتیبانی می‌کند به اطلاعات مربوط به آن در کاتالوگ زیمنس مراجعه شود. به‌طور کلی ورودی­‌هایی که در سیستم‌­‌های PLC مورد استفاده قرار می­گیرند به دو صورت می‌باشند:

• ورودی­‌های دیجیتال[18]
• ورودی­‌های آنالوگ[19]

 

2-4- ماژول‌‌های خروجی

این واحد محل خروج اطلاعات کنترلی می‌باشد که از سمت PLC ارسال می‌شود؛ مدار‌های این واحد در PLC‌های کوچک به­صورت مجتمع با CPU و در PLC‌های بزرگ به صورت ماژولار بوده و در کنار CPU و یا جدای از آن قرار می­گیرد. خروجی­‌های PLCها به دو صورت می‌باشد :

• خروجی‌های دیجیتال[20]
• خروجی­‌های آنالوگ[21]

 

2-5- کارت‌‌های ارتباطی

کارت­‌های ارتباطی قابلیت سخت­افزاری لازم را جهت اتصال PLC به شبکه­‌های زیر فراهم می­کنند :

• Profibus
• Industrial Ethernet
• AS-interface
• Point to Point Link

هر کارت CP، مخصوص یک شبکه خاص طراحی شده است؛ به­عنوان مثال برای ایجاد یک شبکه پروفیباس باید کارت CP مخصوص آن شبکه مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از کارت­‌های CP می­توان یک سیستم کنترل توزیع­شده (DCS) ایجاد کرد؛ در سیستم‌­‌های کنترل توزیع­شده، عمل کنترل بین چند کنترل‌­کننده توزیع و موجب سرعت عمل و صرفه­جویی در وقت می‌شود؛ به­عنوان مثال می­توان برای کنترل یک فرآیند شیمیایی، کنترل دمای نقاط مختلف را به یک PLC و کنترل غلظت و دبی مواد را به PLC دیگری واگذار کرد و سپس بین این دو PLC ارتباط لازم را برقرار نمود و در صورتی که هر دو کار به عهده یک PLC گذاشته شود ابتدا باید کنترل دما و سپس کنترل دبی و غلظت انجام گیرد؛ از آنجا که این دو عمل به صورت سری انجام می‌شوند زمان اجرای برنامه طولانی­تر خواهد شد. شکل زیر یک نمونه ارتباط شبک‌های با استفاده از پروتکل­‌های پروفیباس و اترنت صنعتی را نشان می‌دهد.

3. نمونه‌­ای از ارتباط شبک‌های در پروفیباس و اترنت صنعتی

 

2-6- نرم­افزار‌‌های کنترل فرایند شرکت زیمنس

معمولا برای برنامه­نویسی PLC باید از نرم­افزار‌های مخصوص استفاده کرد. نرم­افزار مورد نظر در PLC‌های S7 زیمنس Step7 می‌باشد که به دو نوع کلی تقسیم می‌شود:

• Step7 microwin که برای برنامه­ریزی PLC‌های سری S7-200 به­کار می­رود.
• Step7 که برای برنامه­ریزی PLC‌های سری S7-300، S7-400 و C7 به­کار می­رود.

نرم­افزار نوع دوم خود به دو دسته تقسیم می‌شود:

• Step7 Mini , Step7 Lite
• Step7 Proffesional

مورد اول فقط برای برنامه­ریزی S7-300 و C7 قابل استفاده است و فقط زبان­‌های برنامه­نویسی LAD و STL و FBD را پشتیبانی می‌کند؛ در ضمن پیکربندی شبکه نیز پشتیبانی نمی‌گردد. مورد دوم نرم­افزار کامل Step7 می‌باشدکه نسخه­‌های جدید آن همراه با بسته­‌های نرم­افزار‌های دیگری که قبلا به‌طور جداگانه عرضه می­شد ارائه می‌شود که عبارتند از :

• S7-Graph
• S7-SCL
• S7-PLCSIM
• S7-PDIAG
• و ...

 

تجهیزات کنترل صنعتی شرکت اشنایدر

شرکت اشنایدر در سال 1836 در کشور آلمان تاسیس شد. و از آن زمان تا به امروز این شرکت اروپایی دارای بیش از 190 نمایندگی در سرتاسر جهان می‌باشد. تولیدات این شرکت در بازار‌های مختلف در زمینه‌‌هایی نظیر انرژی تجدید پذیر، کنترل فرآیند، کنترل و نظارت، کنترل کننده‌‌های موتور، کنترل روشنایی، توزیع برق و سیستم‌‌های امنیتی عرضه می‌شود. علاوه بر تولیدات این شرکت در زمینه مدیریت انرژی، این شرکت تولید کننده سیستم‌‌های کنترل کننده صنعتی از قبیل PLC و DCS می‌باشد. تولیدات این شرکت در زمینه صنعتی مختلف زیر ارائه می‌شود.

• فرآیند‌های اتوماسیون
• ماشین‌‌های کنترل و نظارت
• تولید و توزیع برق
• نظارت و کنترل انرژی
• مدیریت تاسیسات (روشنایی،تهویه، بالابر، سیستم‌‌های هشدار دهنده و غیره)
• مدیریت اطلاعات تولید سایت‌های مختلف
• برق اضطراری
• شکل زیر گستره تولیدات شرکت اشنایدر را در بخش‌‌های مختلف نشان می‌دهد.

4. گستره استفاده از تولیدات اشنایدر در زمینه‌‌های مختلف صنعتی

شرکت اشنایدر دارای خانواده‌‌های مختلفی در کنترل کننده‌ها می‌باشد. کنترل کننده‌‌های شرکت اشنایدر به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند. دسته اول کنترل کننده‌‌هایی هستند که تمام ماژول‌‌های آن به صورت یک بسته مجزا به همراه پردازنده بر روی یک رک قرار می‌گیرند. که عبارتند از:

• خانواده Modicon Premium
• خانواده Modicon Quantum
• خانواده Modicon M340

دسته دوم کنترل کننده‌‌هایی است که تمام ماژول‌‌های آن به جز پردازنده آنها بر روی یک رک قرار گرفته اند و پردازنده به صورت یک کارت اضافی بر روی کامپیوتر نصب می‌شوند.

• خانواده Artium PCX 57

 

3-1- خانواده Modicon Premium

بزرگترین خانواده کنترل کننده‌‌های اشنایدر Premium است. این کنترل کننده‌ها به صورت ایستگاه مجزا که پردازنده آن TSX P57 در رک اصلی قرار دارد و عملیات پردازش را انجام می‌دهد و با نام TSX P57 PLC Station شناخته می‌شود.

 

3-1-1- ایستگاه TSX P57 PLC Station

این ایستگاه از ماژول‌‌های جدا از یکدیگر ساخته شده است که این ماژول‌ها شامل ماژول‌‌های، ورودی خروجی دیجیتال، ورودی خروجی آنالوگ و ماژول‌‌هایی با کاربرد مشخص می‌باشند. ایستگاه قابلیت گسترش بر روی یک یا چندین رک که با باس X یا Fieldbus به یکدیگر مرتبط هستند را دارد. شکل زیر یک ایستگاه TSX P57 PLC Station را که در دو رک گسترش پیدا کرده است و با استفاده از باس ارتباطی با یکدیگر ارتباط دارند را نشان می‌دهد. که شرح هر کدام از آن‌ها در جدول زیر آمده است.

5. یک ایستگاه کنترل کننده TSX P57 PLC Station

 

3-2- خانواده Modicon Quantum

به دلیل عواقب جانی، مالی و محیطی در پی رخداد‌‌های صنعتی، ایمنی در حال تبدیل شدن به یک پارامتر بسیار مهم برای شرکت‌ها می‌شود. برای این منظور شرکت اشنایدر PLC‌‌های ایمن را ارائه کرده است که به Safety PLC مشهور هستند. شکل زیر یک Safety PLC را نشان می‌دهد

6. کنترل کننده Modicon Quantum Safty

 

3-3- خانواده M340 Modicon

سیستم کنترل کننده یکپارچه M340 یک کنترل کننده قدرتمند می‌باشد که به منظور کنترل فرآیند‌‌های حساس از جمله نفت و گاز و پتروشیمی‌معمولا به عنوان واحد مرکزی یک سیستم اسکادای اشنایدر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پردازنده به دو صورت آماده و یک بسته و همچنین به صورت ماژولی عرضه می‌شود. در این سند مدل ماژولی معرفی شده است و در ادامه عملکرد ماژول‌‌های M340 شرح داده خواهد شد. پردازنده این کنترل کننده BMXP34 نام دارد که با توجه به پروتکل مورد استفاده متفاوت است. جدول زیر پردازنده‌‌های مختلف این کنترل کننده و پروتکل‌‌های مورد استفاده آنها را نشان می‌دهد.

7. کنترل کننده Modicon M340

 

3-3-1- ماژول‌‌های سیستم کنترل یکپارچه M340 اشنایدر

سیستم Modicon M340 با توجه به استاندارد و عملکرد پردازشی به عنوان PLC در دو حالت رک تنها و رک چندگانه که بر روی هر رک چندین اسلات وجود دارد، عملیات کنترل را انجام می‌دهد. تجهیزات زیر بر روی اسلات‌ها قرار می‌گیرند.

• ماژول ورودی خروجی دیجتال
• ماژول ورودی خروجی آنالوگ
• ماژول­‌های مخصوص کاربردی (شمارنده، کنترل متحرک، ارتباطات پروتکل Ethernet Modbus/TCP)

تعدد پنج پردازنده به عنوان پردازده M340 با قابلیت­‌های مختلف، میزان حافظه، سرعت پردازش، تعداد ورودی و خروجی و نوع پورت­‌های خروجی ارائه می‌شود. به علاوه، با توجه به مدل پردازنده، هر پردازند‌های حداکثر موراد زیر را ارائه می­دهند:

• 512 تا 1024 ورودی خروجی دیجیتال
• 128 تا 256 ورودی خروجی دیجیتال
• 20 تا 36 ماشین مخصوص برنامه کاربردی (شمارنده، منترل متحرک و لینک سریال)
• 0 تا 3 شبکه Ethernet Modbus/TCP (با و بدون پورت یکپارچه و 2 ماژول شبکه حداکثری)
• وابسته به مدل، پردازنده Modicon M340 شامل می‌شود:
• یک ماژول 10BASE-T/100BASE-TX Ethernet Modbus/TCP
• یک ماشین CANopen و باس راه اندازی و نصب
• یک لینک سریال مدباس
• یک پورت USB

 

سامانه DCS یوکوگاوا[22] (CENTUM 3000)

شرکت ژاپنی یوکوگاوا که در سال 1915 تاسیس شده است، اولین سامانه DCS در دنیا را در سال 1975 با نام سنتوم به بازار عرضه کرد که تاکنون نسخه­‌های مختلفی از این سری به بازار ارایه شده و در صنایع بزرگ پتروشیمی‌و نفت کاربرد زیادی دارد. این سند به مواردی چون تاریخچه­ی سنتوم، سامانه­‌های ارایه شده از این مدل و نسخه­ی جاری آن، معماری سامانه، ساختار سخت افزار و دستگاه‌‌های ورودی/خروجی، توپولوژی نرم‌افزار و ساختار شبکه و گذرگاه­‌های ارتباطی پشتیبانی شده می­پردازد.

8. زیر ساخت‌‌های نفت که توسط DCS یوکوگاوا کنترل می‌شوند

همان طور که در سیستم‌­‌های کنترلی متداول از قسمت‌‌های سخت‌افزاری، بلوک‌‌های کنترل و مانیتورینگ تشکیل می‌شود، در DCS‌های یوکوگاوا نیز چنین اجزایی بوده که در این قسمت اجزای مختلف سیستمی‌موجود در سیستم CS3000 (آخرین سری DCS از شرکت یوکوگاوا) توصیف می‌شود. شرکت یوکوگاوا ادعا می‌کند که تاکنون بیش از 19000 مورد از سامانه سنتوم را برای پروژه­‌های مختلف در پلنت­‌های مختلف فروخته است که بیشترین آن‌ها در حوزه­ی نفت و پتروشیمی‌بوده است و در این میان سهم کشور‌های آسیایی بیشتر از بقیه می‌باشد. شکل زیر سیر تحول سامانه­‌های کنترل یوکوگاوا را نشان می‌دهد.

9. سیر تحول تجهیزات کنترل صنعتی شرکت یوکوگاوا

 

4-1- سامانه‌‌های ارایه شده

شرکت یوکوگاوا از سال 1975 که اولین سامانه DCS دنیا را عرضه کرد تاکنون نسخه­‌های مختلفی از سنتوم را توسعه داده است که از این سری مدل­‌های CENTUM CS R3.06 جزو آخرین مدل­‌های این سامانه هستند و مدل R4.0 تحت عنوان CENTUM VP نیز به بازار عرضه می­کنند که برای کنترل فرآیند در پلنت­‌های مختلف در مقیاس کوچک تا متوسط در نظر گرفته شده است. جدول زیر سیر تدریجی مدل­‌های DCS ارایه شده توسط یوکوگاوا را نشان می‌دهد.

2. انواع سامانه­‌های DCS یوکوگاوا

4-1- سامانه­ CENTUM CS

سامانه CENTUM CS یک مدل پر فروش سامانه کنترل تولید در مقیاس بزرگ می‌باشد که به ادعای شرکت یوکوگاوا با پیاده­سازی واقعی در بسیاری از پلنت و با قابلیت اطمینان کاملا بالا، بهترین فروش DCS در مقیاس بزرگ را از زمان اولین فروش آن در سال 1993 به خود اختصاص داده است. این سامانه از سال 1993 که به بازار عرضه شده، به طور گسترد‌های در پلنت‌‌هایی مانند پالایشگاه نفت، پتروشیمی، شیمی، آهن و فولاد، فرآوری فلزات غیر آهنی، سیمان، خمیر کاغذ، صنایع غذایی و دارویی و تولید برق، گاز و آب و همچنین بسیاری دیگر از مراکز خدمات عمومی‌استفاده می‌شود.

 

4-2- سامانه CENTUM CS 3000 R3

سامانه CENTUM CS 3000 R3 دارای قابلیت اطمینان بالای تمام سامانه­‌های CENTUM تحویل داده شده از سال 1975 بوده و از آخرین فناوری اطلاعات، از جمله سیستم عامل ویندوز استفاده می‌کند. عمده مباحث مطرح شده در ادامه، به معرفی ساختار این مدل و مدل VP پرداخته می‌شود.

 

4-2-1- معماری سامانه

مطابق معماری لایه ای مرسوم در سامانه­‌های DCS، سامانه CENTUM نیز از یک معماری لایه‌های برخوردار می‌باشد به طوری که این لایه‌ها را با توجه به نحوه­ی پیاده‌سازی ارتباطات بین لایه‌های و همچنین ارتباط زیر سامانه‌ها با یکدیگر به چند شبکه تقسیم کرده است. به عنوان مثال این ساختار شبک‌های در معماری CENTUM VP مطابق شکل زیر شامل چهار زیر شبکه است.

• شبکه Office LAN برای پشتیبانی از سامانه‌‌های مدیریت اطلاعات مانند ERP
• شبکه­ Plant Data جهت ارسال داده‌‌های فرآیند به لایه بالاتر
• شبکه­­ Control Network جهت ارتباط بین سامانه­‌های کنترل
• شبکه Field Network برای ارتباط بین دستگاه­‌های اندازه گیری و کنترل کننده­‌های محلی در فیلد

10. معماری سامانه کنترل فرآیند CENTUM

 

4-2-2- سخت افزار

• مولفه­‌های اصلی تشکیل دهنده معماری سامانه DCS یوکوگاوا عبارتند از:
• HIS (Human Interface Station)
• FCS (Field Control Station)
• V net/IP (Control Network)
• Remote Node
• شکل زیر مولفه­‌های اصلی یک سامانه DCS را نشان می‌دهد.

11. ارتباط بین سخت افزارها در سامانه DCS یوکوگاوا

 

4-2-3- ایستگاه واسط انسان-ماشین (HIS)

یک HIS به عنوان یک واسط انسان-ماشین برای اپراتور‌های پلنت به کار گرفته می‌شود/ بسته­‌های نرم‌افزاری مربوط به این سامانه بر روی یک رایانه شخصی که یک PC سازگار با IBM PC/AT می‌باشد، نصب می‌گردد. این رایانه را می­توان در یک جعبه­ی کنسول مونتاژ گر و برای اتصال به شبکه­ی Vnet/IP از یک کارت واسط کنترل گذرگاه VI702 استفاده می‌شود. به طور کلی در سامانه یوکوگاوا از نظر سخت افزاری سه نوع ایستگاه واسط انسان-ماشین قابل ارایه است که عبارتند از:

• کنسول
• کنسول با صفحه نمایش عمومی‌نوع رایان‌های رومیزی

 

4-3- گره غیر محلی

یک واحد I/O غیر محلی می‌باشد که سیسگنال‌‌های I/O فیلد را از طریق یک گذرگاه راه دور به سامانه کنترل FCS انتقال می‌دهد.

 

4-3-1- ایستگاه کنترل فیلد (FCS)

کنترل کننده این سامانه، تحت عنوان FCS شناخته می‌شوند که در سه نوع Standard، Compact و Embedded می‌باشد. تفاوت دو مدل در اندازه­ی حافظه­ی کنترل کننده FCS می‌باشد به طوری که در مدل استاندارد 16MB و در مدل Embedded برابر با 32 MB است. یک سامانه ایستگاه کنترل فیلد یا FCS انجام عملیات کنترل فرآیند را بر عهده دارد. به عبارت دیگر FCS کنترل کننده­ی اصلی به شمار می­رود؛ به این معنی که عملیات کنترل اصلی توسط FCS انجام می­گیرد و تمامی‌داده­‌های فرآیند، منطق کنترل و حلقه‌ها و روش­‌های کنترلی را در بر می­گیرد. بنابراین HIS در شرایط عادی تنها یک پنجره به فرآیند جهت نمایش محسوب می‌شود. این سامانه‌ها در نسخه CENTUM VP به گون‌های طراحی شده‌اند که بتوانند بدون سامانه HIS کار کنند. سامانه مذکور دارای انواع مختلفی است به طوری که در نسخه­ی CENTUM VP دو نوع ایستگاه کنترل فیلد موجود است:

• واحد کنترل فیلد: AFV10S
• واحد کنترل داپلکس: AFV10D

سخت افزار FCS دارای درجه دسترسی بالا بوده و نسبت به وقوع خطا مقاوم می‌باشد. به طوری که در صورت بروز خطا، هدایت و کنترل سامانه از دست نمی­رود و به محض برطرف شدن خطا به شرایط عادی بر می‌گردد. میزان دسترسی این سامانه در مدارک کاربر شرکت یوکوگاوا 99.99999% عنوان شده است.

 

4-3-2- ماژول‌‌های I/O

• Dual Vnet/IP
• Dual I/O Module
• Dual Power
• Complex CPU

یک ایستگاه کنترل فیلد دارای هشت اسلات برای ماژول­‌های I/O بوده و شامل گره‌‌های اضافی جهت گسترش I/O می‌باشد که می‌توانند از طریق گذرگاه ESB یا از طریق ER متصل گردند. در معماری یوکوگاوا ایستگاه FCS به عنوان سرور و HIS به عنوان Client کار می‌کند. تمامی‌ماژول‌ها قابلیت افزونگی را در هر سطحی دارا می‌باشند.

12. ماژول ورودی/خروجی سامانه CENTUM

 

4-3-3- رایانه مهندسی (ENG)

این رایانه به همراه توابع مهندسی توسعه داده شده، برای انجام عملیات مهندسی و مدیریت تعمیر و نگهداری مورد استفاده قرار می­گیرد. به طوری که این رایانه می­تواند از همان نوع رایانه همه منظوره بوده و یا حتی می­تواند همان PC مورد استفاده برای HIS باشد. به طوری که می­توان با داشتن عملکرد و تابع پایش، توابع آزمون­‌های مجازی (کنترل اجرای شبیه ساز ایستگاه) را نیز در کنار آن به منظور ایجاد محیط مهندسی کارآمد و آسان اجرا کرد. در اینجا نیز برای اتصال به شبکه‌ی Vnet/IP از یک کارت واسط گذرگاه V1702 استفاده می‌شود.

 

4-3-4- مبدل گذرگاه BCV

یک سخت افزار واسط می‌باشد که چندین شبکه کنترل را به هم متصل می­کنند. این مولفه همچنین سامانه­‌های سری CENTUM قدیمی‌را نیز به سامانه CENTUM VP متصل می‌کند.

 

4-3-5- دروازه ارتباطات (ACG)

یک واحد ارتباطات برای اتصال یک رایانه نظارتی به گذرگاه کنترل می‌باشد.

 

4-3-6- ایستگاه GSGW

از نظر سخت افزاری GSGW یک رایانه همه منظوره با بسته بندی عمومی‌LFS1250 می‌باشد که برای نظارت و کنترل عملیات زیر سامانه‌ها استفاده می‌شود. یک GSGW می‌تواند داده‌ها را از طریق خدمت دهنده­‌های DA OPC برای انواع گوناگون زیر سامانه‌ها جمع­آوری و پیکر­بندی نماید. بدون اینکه به یک برنامه اختصاصی ارتباطی نیاز داشته باشد. در اینجا نیز برای اتصال به شبکه Vnet/IP از یک کارت واسط کنترل گذرگاه V1702 استفاده می‌شود.

 

4-3-7- ایستگاه کنترل ایمنی (SCS)

کنترل کننده خاصی است که برای قطع اضطراری و سامانه­‌های اطفای حریق و به طور کلی نیاز‌های ایمنی طراحی شده است. سامانه SCS بر اساس ProSafe-RS وضعیت پلنت را پالایش کرده و عملیات از پیش تعیین شده بر اساس ایمنی را مطابق با هر درخواست برای کنترل ایمنی انجام می‌دهد. یک SCS جزئی از سامانه­‌های تجهیز شده ایمن (ProSafe-RS) می‌باشد که توسط آزمایشگاه­‌های آزمون ایمنی آلمان (TUV) به عنوان یک SIS تایید شده است به طوری که شرایط استاندارد SIL3 ایجاد شده توسط IEC 61508 را برآورده می‌کند.

 

4-3-8- رایانه مهندسی ایمنی (SENG)

یک ایستگاه SENG یک رایانه همه منظوره به همراه توابع مهندسی ProSafe-RS مانند ویرایش، بارگذاری و تست برنامه­‌های کاربردی و همچنین انجام وظایف نگهداری در ایستگاه‌‌های کنترل ایمنی (SCS) می‌باشد. توابع SENG می­تواند در یک رایانه که دارای توابع HIS یا ENG می‌باشد، نصب می‌شود.

 

4-3-9- سامانه SIOS یا ایستگاه OPC

ایستگاه OPC یک رایانه است که برای ادغام سامانه­‌های کنترل فرآیند دیگر به سامانه CENTUM مورد استفاده قرار می­گیرد. به عبارت دیگر سامان‌های برای برآورده کردن نیاز­‌های OPC و به منظور اتصال به سامانه­‌های کنترل دیگر سازندگان در نظر گرفته شده است. سامانه SIOS، ایستگاه­‌های اپراتوری HIS را قادر می­سازد تا به داده‌‌های فرآیند، آلارم‌ها و رویدادها از دیگر سامانه­‌های کنترل فرآیند (از سایر فروشندگان PCS) از طریق پروتکل OPC DA & AE دسترسی داشته باشند. به طور خلاصه هر SIOS یک رایانه همه منظوره به همراه بسته خدمت گیرنده OPC با عنوان LBC2100 می‌باشد.

 

4-3-10- ایستگاه کنترل فرآیند پیشرفته (APCS)

یک ایستگاه کنترل فرآیند پیشرفته APCS، توابع کنترل را با یک رایانه همه منظوره متصل به Vnet/IP، با هدف بهبود کنترل پیشرفته و افزایش بهره‌وری پلنت، پیاده‌سازی می‌کند. در سامانه APCS باید توابع کنترل LFS 1200 APCS (GS 33M15U10-40E) نصب شود. برای اتصال به Vnet/IP، کارت رابط کنترل گذرگاه V1702 مورد نیاز است.

 

[1] Remote

[2] Programmable Logic Controller

[3] Distributed Control System

[4] Supervisory Control & Data Acquisition

[5] Data Acquisition

[6] Programmable Logic Controller

[7] Distributed Control System

[8] Central Processing Unit (CPU) Module & Memory

[9] Input & Output Module

[10] Communication processor (CP)

[11] Interface & Function Module

[12] Load memory

[13] Working Memory

[14] System Memory

[15] Retentive Memory

[16] Scan Cycle

[17] Program Response Time

[18] Digital Inputs

[19] Analog Output

[20] Digital Output

[21] Analog Output

[22] Yokogawa