درک ساختارهای سامانه‌های کنترل

در اتوماسیون صنعتی مدرن، سه نوع اصلی سامانه‌های کنترل بر تولید فرآیندی و گسسته چیره‌اند: سامانه‌های کنترل توزیع‌شده (DCS)، کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) و واحدهای پایانه‌ای دوردست (RTU).
اگرچه اهداف مشابهی دارند—نظارت و کنترل فرآیندهای صنعتی—هر سامانه برای کاربردها، محیط‌ها و نیازهای ارتباطی خاص بهینه شده است.

تکامل و هدف سامانه‌های کنترل مدرن

ریشه‌های فناوری DCS و PLC به دهه ۱۹۷۰ بازمی‌گردد، زمانی که صنایع شروع به جایگزینی ابزارهای آنالوگ و رله‌ها با سامانه‌های کنترل دیجیتال کردند. DCS در صنایع فرآیندی مانند پالایشگاه‌های پتروشیمی و تولید برق به استاندارد تبدیل شد، در حالی که PLCها وظایف تولید گسسته مانند بسته‌بندی و خطوط مونتاژ را بر عهده گرفتند.
RTUها اتوماسیون را به سایت‌های دورافتاده یا بدون نیروی انسانی مانند میادین نفتی و مخازن آب گسترش دادند. امروزه این سامانه‌ها اغلب در ساختارهای ترکیبی کنار هم قرار دارند و از طریق پلتفرم‌های اسکادا برای نظارت و کنترل متمرکز به هم متصل می‌شوند.

سامانه کنترل توزیع‌شده (DCS): اتوماسیون فرآیندمحور

 DCS بر کنترل پیوسته فرآیند تمرکز دارد و برای مدیریت عملیات پیچیده و وابسته به هم طراحی شده است. این سامانه صدها یا هزاران حلقه کنترل آنالوگ را با دقت و پایداری اداره می‌کند.
سامانه‌های DCS دارای پشتیبانی افزونه در همه سطوح—از کنترل‌کننده‌ها و منابع تغذیه تا کارت‌های ورودی/خروجی و شبکه‌های ارتباطی—هستند که عملکرد بدون وقفه را در محیط‌های حساس مانند پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های شیمیایی تضمین می‌کند.

ارتباط درون DCS از طریق شبکه‌های کنترل همتا به همتا انجام می‌شود که معمولاً از پروتکل‌های اختصاصی مبتنی بر اترنت بهره می‌برند. سیگنال‌های میدانی ابتدا به مجموعه پایانه میدانی (FTA) می‌رسند و سپس از طریق کابل‌های ویژه به کارت‌های ورودی/خروجی هدایت می‌شوند.
هر حلقه کنترل به طور مستقل با زمان اسکن ثابت اجرا می‌شود که معمولاً بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ میلی‌ثانیه است و بسته به نیازهای فرآیند متغیر است. این زمان‌بندی قطعی عملکرد پایدار برای وظایفی مانند کنترل PID، تنظیم جریان و جبران دینامیکی را تضمین می‌کند.

DCS همچنین محیط مهندسی یکپارچه‌ای فراهم می‌کند. پس از ایجاد یک برچسب، برای منطق کنترل، گرافیک، هشدارها و گزارش‌ها بدون نیاز به نگاشت جداگانه پایگاه داده در دسترس است. این ساختار تک‌پایگاه داده پیکربندی را ساده‌تر، زمان مهندسی را کاهش و خطاهای احتمالی را به حداقل می‌رساند.
پروتکل‌های رایج فیلدباس در DCS شامل FOUNDATION Fieldbus برای ابزار دقیق و PROFIBUS-DP برای کنترل موتور است که هر دو به طور بومی در ابزارهای پیکربندی سامانه پشتیبانی می‌شوند.

کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر (PLC): کنترل گسسته و ترکیبی

 PLC پایه و اساس اتوماسیون کارخانه است که در ابتدا برای وظایف کنترل گسسته مانند توالی‌بندی، قفل‌گذاری و کنترل حرکت طراحی شده بود. با گذشت زمان، PLCها برای پشتیبانی از ورودی/خروجی آنالوگ، حلقه‌های PID و شبکه‌های ارتباط صنعتی توسعه یافته‌اند و پل ارتباطی بین اتوماسیون گسسته و فرآیندی شده‌اند.

PLCهای مدرن، مانند Siemens S7-1500 و Allen-Bradley ControlLogix، طراحی‌های مدولار با واحد پردازش مرکزی، ماژول‌های ورودی/خروجی و ارتباطی در بَک‌پلین دارند. PLCهای بزرگ ممکن است دارای واحدهای پردازش مرکزی و منابع تغذیه افزونه باشند، اما معمولاً ورودی/خروجی افزونه ندارند مگر اینکه برای سامانه‌های با دسترسی بالا طراحی شده باشند.
مزیت اصلی آن‌ها زمان اسکن سریع است که پاسخگویی در زمان واقعی را در محیط‌های تولید با سرعت بالا ممکن می‌سازد. با این حال، با افزودن چندین حلقه PID، بار پردازش واحد مرکزی ممکن است عملکرد اسکن را کند کند.

برنامه‌نویسی و نمایش PLC معمولاً نیازمند پلتفرم‌های نرم‌افزاری جداگانه است. منطق کنترل در ابزار پیکربندی PLC ایجاد می‌شود، در حالی که گرافیک رابط انسان-ماشین (HMI) به طور مستقل توسعه می‌یابد. داده‌ها با استفاده از سرورهای OPC مرتبط می‌شوند که ارتباط بین PLC و HMI را ممکن می‌سازند. یکپارچگی بومی OPC این فرایند را ساده می‌کند، اما نگاشت توسط نرم‌افزارهای ثالث نیازمند پیکربندی و اعتبارسنجی اضافی است.

PLCها معمولاً از استانداردهای ارتباطی مانند PROFIBUS، DeviceNet، Modbus و EtherNet/IP پشتیبانی می‌کنند. در سطح دستگاه، شبکه‌هایی مانند IO-Link، CompoNet و ASI حسگرها و عملگرها را به هم متصل می‌کنند. هر سازنده کارت‌های رابط بومی برای پروتکل مورد علاقه خود ارائه می‌دهد، در حالی که برای پروتکل‌های دیگر به مبدل‌های ثالث نیاز است.

واحد پایانه‌ای دوردست (RTU): اتوماسیون برای سایت‌های دورافتاده

 RTU برای نظارت فرآیند از راه دور و جمع‌آوری داده در مکان‌های جداافتاده یا بدون نیروی انسانی طراحی شده است. ساختار آن مصرف انرژی پایین را در اولویت قرار می‌دهد و اغلب با پنل‌های خورشیدی یا باتری تغذیه می‌شود، که آن را برای کاربردهای تله‌متری ایده‌آل می‌سازد.
RTUها ستون فقرات سامانه‌های اسکادا هستند و به اپراتورها در اتاق‌های کنترل مرکزی امکان می‌دهند دارایی‌های دوردست مانند چاه‌های نفت، مخازن آب و خطوط لوله را نظارت کنند.

RTUها از طریق شبکه‌های رادیویی، تلفن همراه یا ماهواره‌ای ارتباط برقرار می‌کنند که ممکن است دچار قطعی شوند. برای رفع این مشکل، RTUها داده‌ها را به صورت محلی ذخیره کرده و پس از برقراری اتصال به طور خودکار بارگذاری می‌کنند. این قابلیت «ذخیره و ارسال» یکپارچگی داده‌ها را تضمین می‌کند.
برای کاهش هزینه‌های ارتباطی، RTUها اغلب از منطق گزارش‌دهی بر اساس استثنا استفاده می‌کنند و داده‌ها را تنها زمانی ارسال می‌کنند که تغییرات مهمی در فرآیند رخ دهد.

پیکربندی معمولاً جدا از نرم‌افزارهای اسکادا یا HMI انجام می‌شود. همانند PLCها،  سرورهای OPC بومی یکپارچگی روان را فراهم می‌کنند، در حالی که سامانه‌های ثالث نیازمند نگاشت دستی داده‌ها هستند.
RTUهای مدرن ممکن است دارای قابلیت عبور HART باشند که ارتباط مستقیم با فرستنده‌های هوشمند را بدون نیاز به چندراه‌کننده‌های اضافی ممکن می‌سازد. این ویژگی راه‌اندازی را ساده‌تر و هزینه کلی را کاهش می‌دهد.

RTUها به طور گسترده در تله‌متری نفت و گاز، مدیریت آب و توزیع برق استفاده می‌شوند، جایی که قابلیت اطمینان، نگهداری کم و عملکرد خودگردان بلندمدت اهمیت دارد.

تفاوت‌های کلیدی در کاربرد

هر سامانه نقش خاصی در اتوماسیون صنعتی ایفا می‌کند.
 DCS برای صنایع پیوسته و فرآیندمحور که نیازمند دقت و افزونگی هستند، مناسب‌تر است.
 PLC برای تولید گسسته، کنترل ماشین‌آلات و عملیات توالی سریع ایده‌آل است.
 RTU در محیط‌های دورافتاده با مصرف انرژی پایین که ارتباطات ناپیوسته و نیازهای کنترلی کم دارند، برتری دارد.

در بسیاری از کارخانه‌های مدرن، از استراتژی کنترل ترکیبی استفاده می‌شود. برای مثال، یک پالایشگاه ممکن است از DCS برای کنترل فرآیند، PLCها برای اتوماسیون واحدهای بسته‌بندی و RTUها برای نظارت بر مخازن دوردست بهره ببرد. این ترکیب انعطاف‌پذیری، پایداری و دید متمرکز را از طریق سامانه‌های یکپارچه اسکادا فراهم می‌کند.

دیدگاه کارشناسان: آینده سامانه‌های کنترل صنعتی

تمایز بین DCS، PLC و RTU به تدریج کاهش می‌یابد زیرا سازندگان ویژگی‌های مشترک بیشتری اضافه می‌کنند. PLCهای مدرن می‌توانند حلقه‌های فرآیندی پیچیده‌ای را که زمانی مختص DCS بود، مدیریت کنند، در حالی که پلتفرم‌های DCS اکنون از منطق گسسته و پیکربندی انعطاف‌پذیر پشتیبانی می‌کنند.
در همین حال، RTUها هوشمندتر می‌شوند و با تحلیل‌های درون‌ساخت و اتصال به ابر، امکان نگهداری پیش‌بینانه و تصمیم‌گیری مبتنی بر داده را فراهم می‌آورند.

در عصر صنعت ۴.۰، آینده در سامانه‌های هم‌کار است که نقاط قوت هر سه پلتفرم را ترکیب می‌کنند. یکپارچگی بی‌وقفه، مقاومت در برابر تهدیدهای امنیتی و توانمندی‌های پردازش در لبه شبکه، نسل بعدی سامانه‌های کنترل را شکل خواهند داد.

سناریوی کاربردی

یک پالایشگاه نفت مدرن را در نظر بگیرید.  DCS فرآیندهای اصلی تقطیر و شکست را کنترل می‌کند.  PLCها کمپرسورها، پمپ‌ها و قفل‌های ایمنی را مدیریت می‌کنند.  RTUها خطوط لوله و مخازن دوردست را پایش می‌کنند و داده‌ها را از طریق شبکه اسکادا گزارش می‌دهند. این سامانه‌ها با هم یک اکوسیستم اتوماسیون یکپارچه را تشکیل می‌دهند که بیشینه زمان کارکرد، ایمنی و کارایی عملیاتی را فراهم می‌آورد.

نکات کلیدی

DCS، PLC و RTU هر یک نیازهای خاص اتوماسیون را برطرف می‌کنند اما به طور فزاینده‌ای مکمل یکدیگرند.
DCS قابلیت اطمینان برای کنترل فرآیند را ارائه می‌دهد، PLC انعطاف‌پذیری برای اتوماسیون ماشین‌آلات را فراهم می‌کند و RTU اتصال برای دارایی‌های دوردست را تضمین می‌کند.
ترکیب راهبردی این سامانه‌ها از عملیات صنعتی مقیاس‌پذیر، کارآمد و آماده آینده پشتیبانی می‌کند.