Dcsسيستمهاي فيلد باس ومقايسه آنها با سيستمهاي

‫سيستمهاي فيلد باس ومقايسه آنها با سيستمهاي ‪DCS‬‬ ‫حميد رضا خدام‬

‫‪ 1-7‬مقدمه‬ ‫در اوايل دهه ‪ 1960‬ادوات 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 اصطلحا‬ ‫‪ (DDC (Direct Digital Control‬ناميده مي شود و در آن اپراتور توسط يك صفحه كليد و يك‬ ‫نمايشگر ‪ (VDU(Visual Display Unit‬با 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 اطلعات‪،‬‬ ‫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.‬‬ ‫‪ DCS‬در واقع تكميل شده و توسعه يافته سيستم كنترل مركزي يا همان ‪ DDC‬مي 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 ‪ DCS‬منتقل 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 ‫‪ (Controller‬كار اندازه گيري متغير هاي پروسسي‪ ،‬كنترل لوپها توسط كنترلر هاي ميكروپروسسوري‪،‬‬

‫اجراي ‪ Logic‬ها ‪ ،‬جمع آوري اطلعات 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 ‪ DCS‬از كار افتادن هريك از قسمتهاي كنترلي تاثير آنچناني‬ ‫بر پروسه كنترلي نداشته است و حتي با از كار افتادن سطوح بال‪ ،‬سطوح پايين كه شامل ‪Process‬‬ ‫‪ Controller‬ها مي باشد‪ ،‬مي تواند كار كنترلي را ادامه دهد‪ .‬در ‪ DCS‬سيگنال راه اندازه گيري شده و‬ ‫سيگنال ارسالي به ادوات توسط يك جفت سيم به ورودي و خروجيهاي ‪ Process Controller‬وصل‬ ‫مي شوند و ارتباط اين سطح باسطوح ديگر از طريق بزرگراههاي اطلعاتي و شبكه خاص خود‬ ‫سيستم‬ ‫(‪ (Data Highway & Plant Network‬صورت 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 ‪ ‍PLC‬ميكروپروسسوري بوده و شبيه سيستمهاي كنترل مركزي و ‪ DCS‬عمل 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(‪ (Sequential‬و گسسته (‪ (Discrete System‬استفاده مي شوند‪ .‬با وجود‬ ‫پيشرفتهاي زيادي كه تا كنون در زمينه ساخت و بكارگيري سيستم هاي كنترلي صورت گرفته ولي‬ ‫كنترلرهاي ‪ PLC‬هنوز كاربرد داشته و همراه سيستمهاي جديد بخشي از واحد پروسسي را كنترل مي‬ ‫كنند‪.‬‬ ‫‪ 2-7‬نحوه عملكرد سيستم كنترل ‪ FCS‬در مقايسه با ‪DCS‬‬ ‫‪ 1-2-7‬معرفي سيستم كنترل ‪Fieldbus‬‬ ‫‪ (FCS( Fieldbus Control System‬جديدترين تكنولوژي سيستم كنترل دردنيا مي باشد ‪ ،‬كه بعد از‬ ‫‪ DCS‬به بازار آمده است‪ .‬استاندارهايي در ارتباط آنالوگ(‪ 20mA-4‬و يا ‪ ، 5V-1‬براي سيگنال‬ ‫الكترونيكي و ‪ 15psi-3‬براي سيگنال نيوماتيكي( جهت انتقال سيگنال كنترل و ابزارهاي اندازه گيري ‪،‬‬ ‫از ادوات فيلد به اتاق كنترل وجود دارد‪ .‬اما ‪ Fieldbus‬يك 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

‫اطلعات بوده ولي در طراحي پروتكل ‪ FCS‬اهداف كنترلي و كاربرد فرايند هاي فرايندي منظور شده و‬ ‫هدف صرف ارتباط ديجيتال نمي باشد‪.‬‬ ‫بحث ارتباط هوشمند در اواسط دهه ‪ ، 80‬تحول مهمي در زمينه ارتباط ديجيتال ايجاد كرد‪ .‬به بيان‬ ‫ساده ‪ Fieldbus ،‬يك شبكه ارتباطي دو طرفه سريال و تمام ديجيتال با پروتكل ‪ Multi-drop‬ما بين‬ ‫ادوات و وسائل ابزار دقيقي هوشمند فيلد‬ ‫(‪ (Intelligent Field Device‬همچون سنسورها (‪ ، (Sensors‬عملگرها (‪ ، (Actuators‬ترانسميترها‬ ‫(‪ (Transmitters‬و‪ ...‬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 Commission‬پروتكل هاي زير را براي فيلد باس معرفي‬ ‫كرده است‪:‬‬ ‫• ‪Foundation Fieldbus and HSE‬‬ ‫• ‪Controlnet‬‬ ‫• ‪Profibus and Profinet‬‬ ‫• ‪P-NET‬‬ ‫• ‪WordFIP‬‬ ‫• ‪INTERBUS‬‬ ‫• ‪SwiftNet‬‬ ‫‪ (Foundation Fieldbus( FF‬از استاندارهاي معروف فيلد باس است كه در سال ‪ 1994‬جهت اهداف‬ ‫زير معرفي شدو اين بخش به تو ضيح در مورد اين استاندارد اختصاص دارد‪:‬‬ ‫‪.1‬ترقي دادن فيلد باس و گسترش آن هم براي راحتي مصرف كننده و هم براي توليد كننده‬ ‫‪.2‬رسيدن به يك استاندارد مناسب و هماهنگ‬

‫‪Figure 2-1‬‬ ‫به دليل سرعت تحولت 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&DCS‬از 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 مشكلت تعويض و‬ ‫از رده خارج شدن را نداشته باشد‪.‬‬ ‫شبكه ‪ Fieldbus‬شبيه ‪ LAN‬بوده و تركيبي از سگمنتها مي باشد و هر سگمنت به يك كارت كنترلي به‬ ‫نام ‪ H1‬متصل مي باشد و قابليت اتصال چند وسيله ابزار دقيقي را فقط با يك جفت سيم فراهم مي‬ ‫كند وجايگزين سيستم‬

‫‪ (Tranditional point-to- point( 4-20mA‬شده است كه براي هر تجهيز فيلد يك جفت سيم بكار‬ ‫مي رود‪.‬‬ ‫سيگنال ‪ Fieldbus‬به وسيله سوار شدن بر روي يك ولتاژ مستقيم كه وظيفه تغذيه ادوات ‪ Fieldbus‬را‬ ‫دارد‪ ،‬منتقل مي شود‪ .‬انجام اين كار بوسيله دستگاهي به نام‬ ‫‪ Power Condition‬كه مابين منبع تغذيه و شبكه ‪ Fieldbus‬قرار دارد‪ ،‬صورت مي گيرد و كنترل اين‬ ‫تبديل از طريق سيستم برنامه ريز گذرگاه به نام‬ ‫‪ (LAS(Link Active Scheduler‬انجام مي شود‪ .‬سيگنالهاي ‪ FCS‬با استفاده از يك تكنيك خاص‪ ،‬تبديل‬ ‫به كد مي شود‪ .‬اين سيگنال “ سيگنال سنكرون “ ناميده مي شود‪.‬‬ ‫‪ 2-2-7‬مدل مرجع ‪)OSI) Open system Interconnect‬‬

‫ليه هاي مدل ‪OSI‬در شكل ‪ 2-2‬نشان داده شده است‪،‬در فيلد باس سه ليه هاي ‪ 3,4,5,6‬از مدل‬ ‫مرجع ‪ OSI‬حذف شده است و مورد استفاده قرار نمي گيرد و همچنين ليه كاربر نيز در مدل ‪OSI‬‬ ‫نبوده در حاليكه در مدل تعريف شده براي فيلد باس وجود دارد بنابراين تكنولوژي فيلد باس شامل سه‬ ‫ليه است‪:‬‬ ‫‪(1‬ليه فيزيكي‬ ‫‪ (2‬ليه پشته ارتباطات‬ ‫‪(3‬ليه كاربردي‬ ‫‪-1‬ليه فيزيكي ‪:‬اين ليه مكانيسمي براي ارسال و دريافت سيگنالهاي الكتريكي بين قطعات فيلد‬ ‫باس مي باشد كه اطلعات در قالب منتطق ‪ 0‬و ‪ 1‬از يك نقطه شبكه به نقاط ديگر ارسال مي شد‪.‬‬ ‫اين ليه اطلعات را ازليه پشته مي گيرد‪ .‬سپس به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند و روي باس قرار‬ ‫مي دهد و بالعكس‪.‬‬ ‫‪ -2‬ليه پشته ارتباطات)‪:)DLL‬‬ ‫ليه تنظيم اطلعات و تعيين تقدم و صف بندي اطلعات را برعهده دارد‪ .‬اين كار توسط قسمتي به نام‬ ‫‪ (LAS(Link Active Scheduler‬انجام مي گيرد‪.‬‬ ‫‪ LAS‬شامل ليستي از نوبت بندي ارسالي از تمام قطعات فيلد باس مي باشد كه مي بايست اطلعات‬ ‫خود را ارسال نمايند‪ .‬هنگاميكه زمان ارسال اطلعات يك ابزار فرا مي رسد ‪ LAS‬يك پيغام ‪Compel‬‬

‫‪ Data‬به آن ابزار ارسال مي كند‪ .‬پس از دريافت ‪ ، CD‬آن ابزار بافر خود را به تمامي قطعات فيلد‬ ‫باس ارسال مي كند‪.‬‬ ‫‪ LAS‬مي تواند پيغام ديگري به نام ‪(PT(Pass Token‬را نيز به ابزارات فيلد باس ارسال نمايد در اين‬ ‫حالت وسيله اي كه ‪ PT‬را دريافت كرده است اجازه دارد تا زمانيكه كارش تمام شود يا حداكثر زمان‬ ‫نگهداري پايان يابد اطلعات خود را ابزارات ديگر فيلد باس ارسال نمايد‪.‬‬ ‫دو زير ليه ‪ FAS‬و ‪(FMS(Fieldbus Message Specification‬نيز بر روي ‪ DLL‬قرار دارند‪.‬‬ ‫‪-3‬ليه كاربر‪:‬‬ ‫اين ليه 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 H1‬با سرعت انتقال داده ‪ ،31.25KHz‬براي اجراي بيشترين الگوريتم‬ ‫كنترل ‪،‬باندازه كافي سريع نيست‪.‬براي اين منظور‪،‬يك ليه ارتباطي سريعتر داخل ‪Foundation‬‬ ‫‪ Fieldbus‬وجود دارد‪ :‬كه آن فيلدباسهاي بر مبناي ‪ Fast-Ethernet‬مي باشد‪ .‬اما فيلدباس ‪،H1‬در‬ ‫برخي كاربرد ها با موفقيت عمل مي كند‪.‬‬ ‫‪ 3-2-7‬توپولوژيهاي 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 ‪ 2-3‬چهار 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 ‪ Trunk‬به صورت سري‪ ،‬بدون داشتن ارتباط‬ ‫شاخه اي يا گرفتن ‪ T‬مي 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 ‪(2-3‬‬

‫‪Figure 2-3‬‬ ‫‪Tree Topology‬‬

‫اين توپولوژي زماني بكار برده مي شود كه چند وسيله ابزار دقيقي از نظر فيزيكي كامل نزديك هم با‬ ‫شند‪ .‬ارتباط اين چند وسيله مستقيما توسط ارتباط ‪ Trunk‬از ‪ FCS Junction Box‬نزديك ادوات ‪ ،‬به‬ ‫كارت ‪ H1‬صورت مي گيرد‪(.‬شكل ‪(2-4‬‬

‫‪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 ‪(Trunk‬شاه سيم( از ‪ Host‬شروع و تا آخرين وسيله فيلد ادامه پبدا مي كند و هر يك‬ ‫از ادوات توسط ارتباط ‪ T‬به اين خط وصلمي شوند‪(.‬شكل ‪(2-5‬‬

‫‪Figure 2-5‬‬ ‫‪Point-to-Point Topology‬‬ ‫اين توپولوژي شامل يك سگمنت است كه تنها دو تجهيز دارد‪.‬و مطابق شكل زير است‪(.‬شكل ‪(2-6‬‬

‫‪Figure 2-6‬‬ ‫شكل زير تركيبي از چهار توپولوژي ذكر شده نشان مي دهد‪:‬‬

‫‪Figure 2-7‬‬ ‫با توجه به تعاريف فوق بهترين نوع اتصال ادوات ‪ FCS‬توپولوژي ‪ Tree‬مي باشد‪ .‬به دليل قيد شده در‬ ‫ذيل ‪ ،‬تعداد ادوات قابل اتصال به هر ‪ Segment‬محدود 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 ‪( Spur‬در عمل( نبايد بيش از ‪ 120‬متر باشد و اين طول در كيفيت سيگنال‬ ‫تاثير دارد‪ .‬جريان و ولتاژ اعمالي توسط منبع تغذيه ‪ ،‬ولتاژ دريافتي هروسيله بايد مابين ‪ 9‬تا ‪ 32‬ولت‬ ‫مستقيم باشد‪ .‬تعداد ادوات واقع در هر سگمنت ‪ FCS‬نيز وابسته به منبع ولتاژ منبع تغذيه ‪ ،‬مقاومت‬ ‫خط و جريان مصرفي ادوات محدود مي شود ‪ .‬انتها ي هر كابل با يك ‪ Terminator‬با امپدانس ‪100Ω‬‬ ‫محدود مي شود‪.‬‬ ‫اين امر كابل اينسترومنتي را به عنوان يك مسير انتقال متعادل جهت انتقال يك سيگنال با فركانس‬ ‫نسبتا بال با كمترين اعوجاج و نويز ممكن مي سازد‪.‬‬ ‫ادوات ‪ Fieldbus‬مجهز 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(FB‬در حافظه اين ادوات‬ ‫ممكن مي گردد‪ .‬اين بلوك ها در مجموعه اي به نام‬ ‫‪ Function Block Library‬قرار 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 اطلعات 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 اطلعات 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 اطلعات نياز خواهد بود‪.‬‬ ‫براي بال بردن ضريب اطمينان(‪ (Risk assessment‬و 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 ‪ Indicator‬بكار‬ ‫بردن مي شوند‪ .‬در نتيجه در تعداد ادوات اتصالي به يك سگمنت محدوديت وجود خواهد داشت‪.‬‬ ‫كارتهاي ورودي‪ /‬خروجي سريال (‪ (Serial I/O‬در ‪ FCS‬كه كارتهاي ‪ H1‬ناميده مي شوند‪ ،‬جايگزين‬ ‫كارتهاي ورودي‪ /‬خروجي ‪20mA-4‬‬ ‫(‪ (Traditional I/O‬در ‪ DCS‬شده اند‪ .‬كارتهاي ‪ H1‬كا ارتباط ادوات فيلد را با شبكه ‪ FCS‬بر قرار مي‬ ‫كنند‪،‬نياز به مارشالينگ كابينت و سيم بندي خاصي ندارند و در حال حاضر مي توان تا ‪ 16‬دستگاه از‬ ‫ادوات فيلد را به آن وصل نمود‪ ،‬ولي هيچكدام از سازندگان ‪ Fieldbus‬قرار دادن بيش از ‪ 10‬دستگاه‬ ‫از ادوات فيلد را توصيه نكرده و تضمين نمي كنند‪.‬‬ ‫‪ 3-7‬مقايسه ‪ DCS & FCS‬و مزايا و معايب آنها نسبت به يكديگر‪:‬‬ ‫‪ FCS‬براي راهبري اهداف كنترلي از ‪ FB‬هاي استاندارد شده مانند ‪AI (Analog Input(،AO Analog‬‬ ‫‪Output‬و ‪ ‍PID‬استفاده مي كند‪ .‬همانطور كه گفته شد اين ‪ FB‬ها 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 ‪(3-1‬‬

‫‪Figure 3-1:Function Block‬‬ ‫با اينكه ادوات كنترل پروسسي داراي پايداري بالو 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:‬‬ ‫اول با ايجاد سطوح مختلف كنترلي و قرار دادن ادوات تك در پايين ترين سطح‪ ،‬ثانيا ايزوله كردن آنها‬ ‫از سطوح بالتر توسط ‪ Barrier‬يا ‪ Isolator‬جهت جلوگيري از انتقال خطا به سطح بالتر‪ ،‬ثانيا قرار‬ ‫دادن اغلب سخت افزارهاي سطوح بالتر بصورت ‪(. Redundancy‬شكل ‪(3-2‬‬

‫‪Figure 3-2‬‬ ‫براي فيلد باس ‪ H1‬جداسازي خطاي سيم بندي بكار رفته است‪ .‬بدين معني كه جهت اطمينان بيشتر‬ ‫ادوات در چندين شبكه (‪ (H1 Segment‬مستقل تقسيم مي شوند كه در صورت بروز خطا در ادوات‬ ‫يك لوپ‪ ،‬فقط در همان شبكه ‪ H1‬اين خطا محدود مي شود‪ .‬كه البته اخيرا كارتهاي ‪ H1‬نيز به صورت‬ ‫‪ Redundancy‬طراحي 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 (‪ (20mA I/O Card-4‬سيستم ‪ DCS‬كه اغلب‬ ‫‪ Redundant‬نيز مي باشد‪ ،‬باعث از سرويس خارج شدن آنها مي شود و اين روند در ‪ FCS‬نيز با قطع‬

‫يك جفت سيم وجود دارد كه در صورت قرار گرفتن حتي شانزده وسيله(هشت لوپ( در يك سگمنت(‬ ‫‪ (H1‬هر هشت لوپ از سرويس خارج خواهد شد‪ ،‬كه اين درمقوله از پايداري نسبت پايداري هردو‬ ‫يكسان مي باشد‪ .‬بطور خلصه اينكه با بروز يك خطا در هر دو سيستم ‪ FCS‬و ‪ DCS‬احتمال از‬ ‫سرويس خارج شدن هر هشت لوپ وجود دارد‪ .‬در ‪ DCS‬جهت لوپهاي حساس و مهم اغلب كارتهاي‬ ‫‪ Redundant I/O‬در 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 ‪ FCS‬نيز با قرار دادن تعداد كمتري از لوپهاي مهم (حداكثر دو‬ ‫لوپ( در يك شبكه ‪ (FCS(H1 Redundancy‬امكان پذير بوده و از اين لحاظ نيز مشاهده مي شود كه‬ ‫ضريب پايداري(در صد خطا( همچون ‪ DCS‬مي باشد‪.‬‬ ‫در صورت عدم استفاده از كارتهاي ‪ H1‬به صورت ‪ ، Redundant‬جهت بال بردن ضريب اطمينان و‬ ‫ايمني ‪ ،‬تركيب ‪ I/O‬ها طوري در نظر گرفته مي شودكه در هر كارت ‪ H1‬بيش از يك لوپ كنترلي‪-‬‬ ‫شامل يك ‪ Control Valve‬و يك ترانزميتر قرار نگرفته باشد و ساير ‪ I/O‬هاي باقيمانده در كارت ‪H1‬‬ ‫به منظور كارهاي غير كنترلي يا نشان دهنده استفاده مي شود‪ .‬با طراحي و توليد كارت ‪ H1‬به صورت‬ ‫‪ Redundant‬و گذرندن مراحل تست و اخذ تاييديه كميته ‪ FCS‬مي توان تعداد لوپها ي كنترلي در نظر‬ ‫گرفته شده در يك كارت ‪ H1‬و يك سگمنت را تا دو لوپ كنترلي افزايش داد‪.‬‬ ‫مهمترين مزيتي كه تجهيزات فيلد در ‪ FCS‬دارند اين است كه در صورت بروز خطاي خروجي آن وسيله‬ ‫به حالت ‪ Fail Safe‬رفته 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 safe‬ممكن 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 Valve‬در ‪ DCS‬اين قابليت ها محدود بوده و در صورت‬ ‫بروز خطا مثل 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.‬‬

‫‪Figure 3-3‬‬ ‫مزاياي ديگر عبارتند از‪:‬‬ ‫كاهش تعداد‪Barrier‬‬

‫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 Cabinets‬كنترل ((‪ Control Cabinet‬نسبت به ‪DCS‬و ‪.DDC‬‬ ‫كاهش سيم كشي‬ ‫صرفه جويي در‬

‫در فيلد و به تبع آن كاهش متعلقات سيم كشي شامل ‪Tray،Box‬و‪...‬‬ ‫هزينه و كاهش زمان نصب سيستم كنترلي و ادوات فيلد‬

‫زمان‪Commissioning&Start-up‬‬ ‫‪ Conventional‬نيز كاهش مي يابد‪.‬‬ ‫اعمال تغييرات‪Configuration‬‬

‫در صورت صحيح بودن طراحي ‪ FCS‬تا يك هشتم مشابه ازنوع‌‬

‫سيستم ‪ Analog/Digital 10%‬سريعتر از سيتم آنالوگ مي باشد‪.‬‬

‫خاصيت‪ Interoperability‬ادوات ‪ :FCS‬قابليت 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 خاصيت ‪ Interoperability‬مي توان در خريد قطعات و توسعه واحد‪ ،‬اين قطعات را‬ ‫بابال ترين كيفيت و قيمت نازل انتخاب كرد‪ .‬اين امر بدليل كثرت توليد كنندگان و رقابت بين شركتهاي‬ ‫سازنده ‪ FCS‬مي 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 Language‬نوشته شده و قابل‬ ‫اجرا در تمام سيستمها ي كنترل مركزي ‪ FCS‬بوده و تمام اطلعات لزم جهت شناساندن وسيله به‬ ‫كنترل مركزي ‪ Host‬را شامل مي شود‪ .‬اين اطلعات 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 دليلي كه در بال قيد گرديد نيازي به نگراني بابت تهيه قطعات يدكي و انبار كردن آنها نمي‬ ‫باشد ‪ ،‬در نتيجه هزينه صرف شده بابت خريد ‪ Spar Part‬را مي توان تقليل داده و از انبار كردن‬ ‫قطعات اضافي صرف نظر كرد‪.‬‬ ‫قابليت توسعه و تغيير در اين سيستم (‪ (FCS‬خيلي آسان بوده و نياز به كارتهاي ‪ I/O‬سيم 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 ‪ FCS‬مي 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 ‪ FCS‬قابليت رشد و توسعه در اندازه بزرگ را نيز دارا مي باشد‪.‬‬ ‫به دليل اطلعات ديجيتالي و ‪ Handshaking‬كه 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 ‫اطلعات كنترلي كافي‪،‬ولي اطلعات مديريتي نسبت به سيستم ‪ FCS‬كمتر مي باشد‪ .‬ولي در سيستم‬ ‫كنترلي ‪ FCS‬علوه بر اينكه اطلعات كنترلي بيشتر از ‪DCS‬بوده بلكه اطلعات مديريتي خيلي بيشتر از‬ ‫‪ DCS‬مي باشد‪ ،‬و در كل از ديدگاه مديريتي ‪ FCS‬نسبت به ‪ ،DCS‬ديد وسيع و بيشتري را از نظر‬ ‫اطلعاتي به مديريت مي دهد‪.‬‬ ‫ضمنا جهت بدست آوردن ضريب تصحيح و اعمال آن در اندازه گيري‪ ،‬لزم است تا دو متغير‬ ‫همزمان(فشار يا دبي همراه با دماي سيال( اندازه گيري شوند‪ .‬با توجه به قابليت ‪Multi-Variable‬‬ ‫ترانسميترهاي ‪،FCS‬صرفه جويي قابل ملحظه اي در خريد و نصب ادوات اندازه گيري مي توان انجام‬ ‫داد‪.‬‬ ‫در ‪ FCS‬علوه بر سيگنالهاي اندازه گيري شده‪ ،‬اطلعات كاملي از دستگاه نصب شده در فيلد در‬ ‫اختيار اپراتور قرار مي گيرد‪ .‬اين اطلعات شامل‪ :‬زمان تغيير دستگاه طبق تشخيص خود دستگاه(‪Self‬‬ ‫‪ ،(Diagnostic‬اطلعات كاليبراسيون شامل جدول زمانبندي و اطلعات داده شده به خود دستگاه‬ ‫شامل ‪ :‬محل‪،‬زمان‪ ،‬روش‪،‬شخص كاليبره كننده و‪،...‬شرايط محيط‪،‬وضعيت ‪ ،PV, MV‬به عهده گرفتن‬ ‫قسمتي از كار كنترلي توسط بلوك هاي (‪ (Function Block‬كارهاي ديگر مي باشد‬ ‫با استفاده از بلوكهاي توابع استاندارد شده (‪ Standard Function Block( SFB‬و انتقال آنها با‬ ‫استفاده از بلوكهاي توابع استاندارد (‪ (SFB‬و انتقال آنها با استفاده از تكنولوژي ‪ FCS‬به فيلد و واگذاري‬ ‫بخشي از كارهاي كنترلي به ادوات فيلد ‪ ،‬بار كنترلي در اتاق كنترل و حجم اطلعات تبادلي از ادوات‬ ‫فيلد با اتاق كنترل ‪،‬كاهش يافته كه يكي ديگر از مزاياي سيستم ‪ FCS‬به 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.‬‬ ‫‪ 4-7‬انواع بلو كهاي استاندارد‬ ‫بلوكهاي متفاوتي با كاربردهاي مختلف در ‪ FCS‬وجود دارد كه در زير به توضيح برخي از آنها پرداخته‬ ‫مي شود‪:‬‬ ‫‪:Resource Block 1-4-7‬اين بلوك (‪ (RB‬مشخصات وسيله ابزار دقيقي همچون نام وسيله‪ ،‬سازنده و‬ ‫شماره سريال وسيله را بيان مي كند و فقط يك ‪ RB‬در هر وسيله موجود دارد‪.‬‬ ‫‪ : 2-4-7Function Block‬اين نوع بلوكها (‪ (FB‬رفتار 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 Transmitter‬ممكن است حاوي يك بلوك از نوع ‪ AI FB‬و يك ‪ Control Valve‬شامل‬ ‫يك بلوك ‪ PID FB‬و همچنين ‪ AO FB‬باشد‪.‬‬

‫‪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 ‪ ،Traditional‬در كنار ترانزميتر و كنترل‬ ‫ولو‪ ،‬به جهت عدم وجود مفهومي به نام ‪ ،Function Blocks‬نيازبه يك كنترلر و در كنار آن مبدل‬ ‫جريان الكتريكي به فشار هوا ‪ ،‬جهت انجام عمل كنترلي داريم‪ .‬لذا ملحظه مي شود كه با بكارگيري‬ ‫ادوات فيلد ‪ ،‬لوپ كنترلي ‪ ،‬ساده و البته مطمئن تر مي شود‪.‬‬ ‫‪ :Transducer Block :3-4-7‬يك ‪ TB‬كار ارتباط بلوكهاي توابعي ‪ FBs‬را از ‪ I/O‬مورد نياز توابع‬ ‫سخت افزار و سنسورهاي دستگاه بر عهده دارد و شامل اطلعاتي از قبيل تاريخ كاليبراسيون و نوع‬ ‫سنسور مي باشد هر ورودي ‪/‬خروجي ‪ FB‬فقط شامل يك كابل ‪ TB‬مي باشد‬ ‫‪ :Flexible Function Block :4-4-7‬بلوكهاي ‪ FFB‬شبيه بلوكهاي ‪ FB‬بوده‪ ،‬مگر در كاربرد‪،‬‬ ‫سفارش‪ ،‬تعريف پارامترهاي بلوك و زمان لزم 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( (Batch‬بكار مي روند و توسط اين بلوكها حتي مي توان كارايي يك‬ ‫سيستم ‪ PLC‬را نيز شبيه سازي كرد‪.‬‬ ‫عموما در معماري اتاق كنترل‪ ،‬تكنولوژي ‪ FCS‬را 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 ‪ FCS‬را نداشته و بعضي از آنها به ‪ DCS‬وصل مي شوند‪ .‬به عنوان مثال با‬ ‫توجه به عدم وجود تكنولوژي ‪ FCS‬در مورد ورودي ‪/‬خروجيهاي ‪(ON/OFF‬سوئيچ ها( و با توجه به‬ ‫پروتكل خاص‬ ‫‪ Vibration Transmitter‬ها ارتباط اين ادوات با سيستم كنترلي از نوع ‪Traditional 4-20mA‬‬ ‫خواهد بود‪.‬‬ ‫همچنين با توجه به اينكه سيستم ‪ FCS‬گواهي و استاندارهاي لزم را در مورد ‪ESD،Emergency‬‬ ‫‪( (Shut Down‬و ‪ Fir&Gas System‬تاكنون اخذ نكرده است ‪ ،‬لذا اين دو سيستم نيز از نوع‬ ‫‪ Traditional‬خواهد بود‪ .‬در حال حاضر سيگنالهايي كه قابليت اتصال به سيستم ‪ FCS‬را دارند شامل‬ ‫وروديهاي آنالوگ و براي ترانزميترها و بعضي آناليزر ها و خروجيهاي آنالوگ براي ‪ ‍Positioner‬ها و‬ ‫محركهاي الكتريكي مي باشد‪.‬‬