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.
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:
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.
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:
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
پروتکلها
سرورها و نرمافزارها
مشخصات وسیله
نام شرکت تولید کننده
ABB Time-sync Multicast
MI-Multisystem Integration Protocol
RNRP Redundant Network Routing Protocol
RemSys show Remote System Protocol
Engineering Workstation
Operator Workplace
Controller Network Interface
Server Network Interface
Aspect Server
Domain Controller
Multisystem Integration
AC400
AC800M
ABB
Ethernet/IP(CIP)
Rockwell CSP (TCP & UDP)
-----------
CompactLogix
ControlLogix
Allen Bradley
DeltaV
Provox
Emerson
DNP3
FF Fieldbus Message Specification
FF System Management
GOOSE IEC61850 Interface
IEC MMS
IEC 60870-5-104
IEEE 1588 Precision Time Protocol
ISO Network Layer Protocol
MRP Media Redundancy Protocol (IEC 62439) OPC Classic-tcp
Wonderware HMI
Generic Industrial
HIMA HiMAX-HiMatrix-(X)OPC
HIMA HiMatrix RIO
HIMA HiQuad- OPC-DA
HIMA ELOP
HIMA X-OPC Compiter
ELOP
X-OPC
OPC DA
OPC AE
SILworX
HiMatrix PES
HiMatrix RIO
HiMax and Himatrix PES SILworX
HIMA
Modbus/TCP
Modbus/UDP
Premium
Quantum
Schneider
PROFINet Context Manager
PROFINeT Multicast
PROFINet Unicast
S7Com
WinCC
STEP7
S7-200
S7-1200
S7-300
S7-400
Siemens
Yokogawa Stardom
Vnet/IP
Centum
Stardom
Yokogawa
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:
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:
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.
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]
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.
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:
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 :
کارتهای ارتباطی قابلیت سختافزاری لازم را جهت اتصال PLC به شبکههای زیر فراهم میکنند :
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
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:
نرمافزار نوع دوم خود به دو دسته تقسیم میشود:
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 :
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.
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:
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.
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.
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
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
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
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.
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:
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
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
سال انتشار
مشخصه
عنوان سامانه
1978
اولین سامانه DCS دنیا
1st CENTUM
1981
2nd CENTUM
1984
CENTUM V
1988
CENTUM-XL
1993
یک سامانه DCS مبتنی بر سیستم عامل Unix در مقیاس بزرگ
CENTUM CS
1998
سامانه کنترل DCS برای مراکز تولید محصول
CENTUM CS 3000 R3
2010
پلتفورم برای پیادهسازی روش یوکوگاوا برای پلنتهای Vigilant
CENTUM VP: CENTUM CS 300 R4.02.30
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.
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.
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.
10. معماری سامانه کنترل فرآیند CENTUM
11. ارتباط بین سخت افزارها در سامانه DCS یوکوگاوا
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:
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.
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:
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.
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
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.
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.
یک واحد ارتباطات برای اتصال یک رایانه نظارتی به گذرگاه کنترل میباشد.
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.
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.
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.
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.
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
کد: 50014767
زمان انتشار: جمعه 25 اسفند 1396 04:30 ب.ظ
منبع: ICSdefender
تعداد نمایش: 553
ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید