نیوماتیك

پیش از استفاده از سیگنالهای الكتریكی برای كنترل دستگاهها در صنعت ، از ابزارهای نیوماتیك استفاده می شد. به این ترتیب كه به هر field device تغذیه هوا با فشار استاندارد 100psi متصل می شد. و سیگنالهای ورودی سیستم كنترل و نیز فرمانهای كنترلر به صورت تغییرات فشار در خطوط هوای بین device و كنترلر منتقل می شد. موارد مورد نیاز در سیستم های نیوماتیك برای برقراری ارتباط شامل كمپرسورها، خطوط هوا ، رگولاتورها ، خشك كن ها و … می باشد . سیگنال فرستاده شده از device در كنترلر به كمك كنترلرهای تناسبی، PID ،PI  كه به كمك bellows, flapper nozzle ساخته می شوند ، فرمان لازم برای عمگر را تولید می كند.

در سیستم های كنترلی نیوماتیك ازreducer , amplifier، repeaterها و... استفاده فراوان می شود. امكان نشان دادن و نیز ضبط علائم مهم كنترلی در circular chart ها وجود دارد. این سیستم ها دارای عمر طولانی و قیمت پایین هستند.سرعت بالا وایمنی كاركرد این سیستمها در مناطق خطرناك از مزایای دیگر آنها می باشد . 
 
 
DCS
با معرفی میكروبروسسورها ، و میكروكامپیوترها به بازار ، كارهایی كه در یك پروسه بر عهده یك كامپیوتر بود بین میكروپروسسورها و میكروكامپیوترها تقسیم شد و باعث به وجود آمدن نسلی از روش كنترل به نام DCS شد . DCS  مخفف Distributed Controller System است ، هدف از آن انجام عملیات كنترلی به صورت غیرمتمركز است برخلاف ظاهر سیستم DCS كه كلیه كنترلرها به اتاق كنترل آورده شده اند و به نظر می رسد كه كنترل به صورت متمركز انجام می شود .این در حالی است كه در سیستم های نیوماتیك كنترلرها اكثرا به صورت محلی وجود دارد كه در سایت نصب شده اند : در DCS دیگر كنترلری در محل سایت نداریم ؛ آنچه اساسا در سیستم DCS رخ می دهد ؛ تقسیم عملیات كنترلی بین چندین كنترل كننده است كه در اتاق كنترل قرار گرفته اند ؛ به دلیل همین تقسیم است كه سیستم Distributed نام گذاری شده است. در این سیستم حلقه های ساده ای متشكل از Field و كنترلر وجود دارد كه این كنترلرها (میكروپروسسورها) در یك لایه بالاتر در سطح supervisor به هم متصل هستند .
 
برای DCS می توان چهارسطح كاری در نظر گرفت :
1- Field: در این سطح ما با سنسورها و عملكردها سرو كار داریم.
2- Marshal cabinet: ترمینالهایی كه wiring را مرتب می كنند در این ترمینالها ایزولاتور ؛ signal conditioner barriers و… موجود است.
3-  Process station: شامل كابینت هایی است كه داخلشان كارت I/Oو كنترلرها قرار دارد.
4-  Operator station : جایی كه اپراتور می نشیند plant را نظارت می نماید.
 
 در این جا I/O Bus به صورت سریال است.,  و كنترلرهای مختلف از طریق data highway به هم متصل هستند و گاها از پروتكل  RS485یا   RS232استفاده می كنند. معمولا پروتكل data Highway  را توسط یك interface تبدیل به پروتكل Ethernet می نمایند. مثلا از انواع این interface هامی توان به HDL اشاره كرد. ارتباطLAN از طریق كابل كواكسیال ; زوج سیم یا فیبرنوری صورت می گیرد. در سیستم DCS معمولا كنترلرها به صورت Full redundant هستند . به این صورت كه دو تا كنترلر در مدار وجود دارد یكی slave و دیگری  master ;   slaveدائما سالم بودن master را چك می كند چنانچه درست عمل نكند ، خود master , slave می شود. (hand shaking) كارت های I/O هم قابلیت redundancy دارند ولی آنچه در مورد كارتهای I/O باید دقت شود آن است كه كارت هایی كه redundant یكدیگر هستند در یك rack قرار نگیرند ؛ كه اگر احتمالا back planدچار مشكل شد بتوان از كارت redundant استفاده نماییم . به طور خلاصه می توان معماری یك سیستم DCS را به صورت زیر نمایش داد . در سیستم PID , DCS در كنترلرها انجام می شود . نكته بسیار مهم در مورد DCS قابلیت ذخیره سازی اطلاعات است. در سیستم های قدیمی چنانچه از اطلاعات بدست آمده استفاده نماییم ؛ اطلاعات ازبین می رود در حالیكه در سیستم DCS قابلت ذخیره سازی اطلاعا دارد. مشكل عمده در سیستم های DCS ،Vendor dependent بودن این سیستم است ؛ مثلا اگر كنترلر از یك شركت خریداری كنیم ؛ قطعات یدكی را هم باید از همان شركت بخریم . 
 
 
فیلدباس
 
مقدمه
 سیستمهای فیلدباس برای ایجاد ارتباط بهتر بین وسایل سطح field و واحد كنترل درصنعت بوجود آمدند. نگاهی به روش قدیمی تر انتقال اطلاعات ما را با ضرورت استفاده از باس آشنا می سازد. پس از كنترلرهای پنیوماتیكی و همزمان با استفاده از كنترلرهای الكتریكی مقدار استاندارد جریان 4 تا 20 میلی آمپر برای انتقال اطلاعات آنالوگ بصورت استاندارد پذیرفته شد. در این كنترل كننده ها برای هر كدام از وسایل سطح فیلدباید یك جفت سیم از اتاق كنترل كشیده می شد. و ارتباط از طریق این سیمها فقط در یك جهت انجام می شد. با پیشرفت تكنولوژی از شبكه های باس برای انتقال اطلاعات كنترل كننده های دیجیتالی جدید و ابزار دقیق هوشمند استفاده می شد. به این ترتیب نیاز به استفاده از مبدلهای D/A,A/D  از بین می رفت. در ضمن از آنجایی كه سیگنال دیجیتال بطوردائم برری خط نیست امكان اتصال چند وسیله به این خط انتقال دوطرفه ممكن می شد. به این ترتیب انتقال اطلاعات از طریق  باس با كاهش سیم كشی و وسایل جانبی همراه شده و جایگزین روش قدیمی 4-20 می شد. 

باس هایی كه در سیستمهای اتوماسیون صنعتی استفاده می شوند ویژگیهای دیگری را نیز باید به همراه داشته باشند :
-   داشتن یك پروتكل open برای اینكه كاربر بتواند از روی ابزار دقیق ساخته شده توسط سازندگان مختلف در شبكه خود استفاده كند. (به این صورت interoperability interchangeability,  وجود خواهد داشت)
-   امكان استفاده در محیط های خطرناك لازم می دارد كه محیط انتقال اطلاعات هم در برابر انفجار و ایمن باشند. مثلاً برای سیستمهای فیلدباس مدل FISCO یك راه برای بیان شرایط ایمن انتقال اطلاعات است در شبكه field  ذاتآ ایمن جریان و ولتاژ به وسیله Safety barrier P.S محدود می شود.
-   در پروسه های پیچیده (وبخصوص) خطرناك امكان قطع شبكه و تعویض device های شبكه بدون shut down كردن پروسه وجود ندارد. برای همین هم باید امكان plug & play  بودن برای این وسایل وجود داشته باشد.
-   شبكه در سیم: برای كاهش هزینه ها ، كوتاه كردن سیم كشی و كم كردن تعداد safety barrier ها بجای شبكه 4 سیم از شبكه 2 سیم استفاده می شود و توان لازم هم از طریق خط سیگنال منتقل می شود.
-   Baud rate انتقال داده باید به اندازه ای باشد كه تضمین كند سیكل زمانی شبكه از كمترین زمان لازم برای تغییرات اطلاعات كمتر است.
-       امكان استفاده از توپولوژیهای مختلف برای باس مثلاً line , tree و…
-   علاوه بر موارد بالا شبكه ها باید قابل انعطاف و در دسترس و نیز از نظر اقتصادی به صرفه باشند. به این منظور تعدادی ابزار دقیق هوشمند استفاده شده باید حداقل شود، شبكه انتقال اطلاعات باید سطوح مختلفی داشته باشد و امكان انتقال اطلاعات برای عملیات سریع و بلادرنگ باید وجود داشته باشد.

امروزه از چندین سیستم انتقال اطلاعات برای اتوماسیون صنعتی استفاده می شود كه هركدام مزایای خود را دارند:
-   (Highway Addressable Remote Transducer)HART (كه البته از روش قدیمی 4 تا 20 میلی آمپر و Deviceها هوشمند استفاده می كند) در پروتكل Hart، انتقال اطلاعات به دو صورت آنالوگ و دیجیتال صورت می گیرد.
-       Rackbus systems
-       Remote I/O systems
-   سیستمهای فیلدباس

 سیستمهای فیلدباس

سیستم فیلدباس یك سیستم تماماً دیجیتال برای انتقال اطلاعات در سطح فیلد است كه در آن تمام وسایل بصورت موازی به یكدیگر وصل می شوند. انتقال اطلاعات در آنها در سطوح مختلفی انجام می شود. سطح كنترل ، سطح اتوماسیون و سطح فیلد. اطلاعات منتقل شده بین Device ها و سیستم كنترل علاوه برمقادیراندازه گیری و محاسبه شده شامل پارامترهای لازم برای start up ، كالیبراسیون و عیب یابی آنها هم می شود.وعلاوه بر اینها امكان استفاده از این شبكه ها در سیستمهای كنترلی بلادرنگ نیز وجود دارد .
 
 هزینه سیستمهای فیلدباس با توجه به كاهش هزینه های كابل كشی، برنامه نویسی و نصب تا حدود 40 درصد كمتر از سیستمهای قدیمی تر 4 تا 20 میلی آمپر است. قابلیت انعطاف این سیستمها بالا و خطا در آنها كمتر است. كامپیوتر هاو PLC ها به راحتی می توانند در این شبكه ها قرار بگیرند و سیستمهای نظارتی بسیار پیشرفته در آنها استفاده می شود. همچنین به علت خاصیت interoperability تضمین شده در سیستمهای فیلدباس انتخاب Device ها كاملآ آزاد و مستقل از یك سازندة خاص است . در سیستمهای فیلدباس، كنترل به صورت توزیع شدة واقعی انجام می پذیرد. به این معنی كه عملیات كنترلی به صورت توابعی تعریف شده. بین Device های تشكیل دهندة یك حلقه كنترلی تقسیم می شوند .  و از كنترل متمركز موجود در سیستمهای  DCS تا حدود بی نیاز میَ گردد . این به این معنی است كه Device ها (ترانسیمترها و عملگرها) در فیلدباس هموشمند هستند. بنابراین می توان دریك شبكه فیلدباس،آنها را جزئی از شبكه دانست.در واقع دامنه دید در كنترل با فیلد باس تا لایه فیلد وسیع می گردد.
 
به عنوان آخرین و شاید مهمترین ویژگی سیستمهای فیلدباس ، متذكر می شویم كه دسترسی به اطلاعات ،چه از نوع مهندسی و چه از نوع مدیریتی در این شبكه ها بسیار آسان است.با توجه به هوشمند بودن وسایل و توانایی آنها  در تهیه و ارسال اطلاعات كاملی از شرایط و نحوه كاركردخود ، همه گونه اطلاعات مهندسی برای مرتفع كردن مسایل نگهداری ، تعمیرات ، ایمنی ،شرایط خاص و ... در دسترس لست.برای مثال در شبكه فیلدباس تعمیرات هنگامی انجام ممی شود كه نیاز به آن از سوی شبكه اعلام شده باشد، در حالی كه در سیستمهای  مرسوم كنونی تعمیرات به صورت دوره ای و از پیش تعیین شده صورت می گیرد كه هزینه های زیادی را  به سیستم تحمیل می كند. همچنین اطلاعات مدیریتی ، از قبیل مدیریت نگهداری ، كیفیت ، بازرگانی و ... با توجه به قابلیت موجود در سیستمهای فیلد باس به طور قابل توجهی افزایش یافته اســت . مقایسه زیر این موضوع را روشن تر می سازد:
 
امروزه بیش از 100 نوع سیستم فیلد باس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمی از آنها همه نیازهای موجود در صنعت را به عنوان یك سیستم Field Network برآورده می سازند.از میان آنها دو سیستم فیلدباس مهم با یكدیگر رقابت می كنند.PROFIBUS كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسیا و آمریكا مورد استفاده قرار می گیرد . در بخش بعد به معرفی این دو سیستم می پردازیم.