مبانی مهندسی کنترل

اتوماسیون صنعتی نقش مهمی در بهبود بهره وری و کارایی در صنعت دارد. یکی از مولفه های کلیدی در اتوماسیون صنعتی، پروتکل های ارتباطی هستند که امکان تبادل اطلاعات بین تجهیزات مختلف را فراهم می کنند. در این مقاله به بررسی مهمترین انواع پروتکل های مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی و کاربردهای آنها می‌پردازیم.

• معرفی پروتکل Modbus و کاربردهای آن در اتوماسیون صنعتی
• معرفی پروتکل PROFINET و مزایای آن
• تشریح پروتکل EtherNet/IP و نقش آن در ایجاد شبکه‌های صنعتی
• توضیح پروتکل OPC UA و قابلیت‌های بالای آن در انتقال داده
• مقایسه مزایا و معایب انواع پروتکل‌های معرفی شده

پروتکل Modbus Modbus یک پروتکل ارتباطی برای تبادل داده بین تجهیزات مختلف الکترونیکی و صنعتی است. این پروتکل در دهه 70 میلادی توسط Modicon برای ارتباط با PLCهای خودشان طراحی شد. Modbus دو نوع دارد:

1. Modbus Serial: از طریق پورت سریال RS-232 یا RS-485 کار می کند. برای اتصال تجهیزات در فواصل کوتاه مناسب است.
2. Modbus TCP/IP: از طریق اترنت و بر پایه پروتکل TCP/IP کار می کند. برای اتصال دستگاه ها در فواصل دور مناسب است.

مثال: در یک کارخانه، PLCها و سنسورهای مختلف با استفاده از Modbus Serial به یکدیگر متصل شده و اطلاعات را تبادل می کنند. سپس یک دستگاه SCADA با استفاده از Modbus TCP/IP به شبکه متصل شده و داده ها را جمع آوری و نمایش می دهد.

پروتکل PROFINET PROFINET یک پروتکل صنعتی برای ارتباطات مبتنی بر اترنت است که توسط PI (PROFIBUS & PROFINET International) توسعه یافته است. ویژگی های PROFINET عبارتند از:

• سرعت بالای انتقال داده (100 مگابیت بر ثانیه)
• تاخیر انتقال پایین (زیر 10 میلی ثانیه)
• قابلیت انتقال داده‌های زمان‌بندی شده
• سازگاری با استانداردهای اترنت و TCP/IP

مثال: در خط تولید یک کارخانه خودروسازی، PLCها و ماشین‌های مختلف با استفاده از PROFINET به یکدیگر متصل شده‌اند تا بتوانند داده‌ها را به صورت real-time تبادل کنند و بهره‌وری خط تولید افزایش یابد.

پروتکل EtherNet/IP EtherNet/IP یک پروتکل مبتنی بر اترنت است که برای کنترل در زمان واقعی در صنعت طراحی شده است. ویژگی های این پروتکل عبارتند از:

• استفاده از استانداردهای متداول اترنت و TCP/IP
• ترکیب کنترل و ارتباطات در یک شبکه
• سازگاری با تجهیزات مختلف
• پشتیبانی از تبادل داده‌های زمان‌بندی شده

مثال: در یک کارخانه بسته‌بندی، PLCها و سیستم های کنترلی با استفاده از EtherNet/IP اطلاعات را در زمان واقعی به اشتراک می‌گذارند تا فرایند بسته‌بندی به طور دقیق کنترل و هماهنگ شود.

پروتکل OPC UA OPC UA یک پروتکل استاندارد باز برای تبادل داده در سیستم های اتوماسیون صنعتی است که توسط OPC Foundation تدوین شده است. ویژگی های این پروتکل عبارتند از:

• مدل داده منعطف برای تبادل انواع مختلف اطلاعات
• امنیت بالا با استفاده از رمزنگاری و الگوریتم های احراز هویت
• سازگاری با شبکه های مختلف از جمله اینترنت
• توانایی انتقال حجم بالای داده

مثال: در نیروگاهی که شامل تجهیزات متعدد از سازندگان مختلف است، از OPC UA برای اتصال سیستم های کنترل و نظارت و تبادل اطلاعات حیاتی استفاده می شود.

SoftPLC یک کنترل کننده اتوماسیون قابل برنامه ریزی (PAC) با عملکرد بالا و غنی از ویژگی است که عملکردهای یک PLC اختصاصی را با مزایای طراحی معماری باز و قدرت رایانه ها ادغام می کند

Soft PLC  برای تبدیل یک کامپیوتر تعبیه شده به یک کنترل کننده منطقی کاملاً کاربردی و قابل برنامه ریزی طراحی شده است که به آن PLC نیز می گویند. این ترکیبی از کنترل گسسته ، PID و ورودی و خروجی آنالایزر PLC با شبکه های رایانه ای با عملکرد بالا ، مدیریت داده ها و توانایی های محاسباتی است.

 SoftPLC عملکردهای زیر را ترکیب می کند:

PLC

دیتا لاگر

دروازه های ارتباطی Communications Gateways

رایانه های جاسازی شده Embedded Computers

اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون هوشمند

اتوماسیون صنعتی به معنای جایگزینی با رایانه ، روبات و ماشین آلات به جای تفکر انسان است. به عبارت دیگر، آنها به سادگی کار را به جای انسان و اپراتور در محیط های صنعتی انجام می دهند. بنابراین تعریف اتوماسیون صنعتی استفاده از مجموعه فناوری ها و دستگاه‌های کنترل خودکار برای سیستم های کنترل مانند رایانه‌ها و روبات‌ها است. این دستگاه‌ها برای مداخله در عملیات مختلف و کنترل فرآیندهای صنعتی بدون دخالت قابل توجه انسان استفاده می‌شوند. واژه اتوماسیون به معنای عمل از خود یا عمل نکردن بدون تدبیر است و از کلمات یونانی auto به معنی خود و کلمه matos به معنی حرکت گرفته شده است. بنابراین اتوماسیون مکانیزم سیستمی است که خود به خود حرکت می‌کند. بنابراین صنعت اتوماسیون با استفاده از دستورات برنامه نویسی منطقی و ماشین‌های قدرتمند جایگزینِ مشارکتِ انسان میشود تا به وظایف مورد نظر برسد. اجزای اتوماسیون صنعتی را کنترلرهایی شامل انواع مختلفی مانند PLC قابل کنترل منطقی، سیستم کنترل توزیع شده DCS ، دستگاه‌های صنعتی میدانی، ارتباطات و شبکههای صنعتی ، رابط انسان و ماشین، کنترل نظارت و دستیابی به دادهها SCADA و رایانه های شخصی است. سیستم اتوماسیون صنعتی با داشتن تعداد زیادی دستگاه که همزمان با فناوری اتوماسیون کار میکنند، میتواند ماهیت بسیار پیچیدهای داشته باشد. با این حال، برای ساده سازی مفهوم ، سه سطح اصلی در سیستم اتوماسیون وجود دارد. سطح میدانی، سطح کنترل، مدیریت و سطح اطلاعات. سطح میدانی دستگاههایی هستند که در این زمینه استفاده میشوند. سطح كنترل نوع مختلف كنترل كننده است. سطح مدیریت و اطلاعات، سطح بالایی است که منطق و طراحی در آن انجام می شود.

همانطور كه از نامش پيداست وسيله اي است جهت راه اندازي الكتروموتورها بصورت نرم و تدريجي همانطور که می دانید الکتروموتور در سایز های بزرگتر را نمی توان به صورت مستقیم راه اندازی کرد چونکه با جریان راه اندازی ۴ الی ۱۰ برابر جریان نامی مواجه خواهیم شد پس می آییم از روش هایی مثل ستاره مثلث ، سافت استارتر و درایو صنعتی (اینورتر) استفاده می کنیم.

در واقع ما با تنظيم سافت استارتر  soft starter جريان راه اندازي موتور را به ميزان مورد نياز محدود مي كنيم واجازه كشيدن جريان هاي زياد را از برق كارخانه به موتور نمي دهيم. البته با سافت استارتر نمي توان همه موتورها را راه اندازي كرد؟ چون موتورها تنوع زياديدارند و سافت استارتر براي گونه خاصي از آنها مناسب است اين موتورها درصنعت به موتورهاي سه فاز القائي يا قفس سنجابي معروفند.
سافت استارتها علاوه بر تفاوت در روشهاي مختلفي كـه براي راه اندازي اعمال مي كنند. در ميزاني كه موتور خود را حفاظت ميكنند هم تفاوت دارند. مثلا يك راه انداز نرم موتور پشرفته مي تواند به طور كامل موتور را در مقابل هر نوع خطا حفاظت كند.
سافت استارتر كارهائي از قبيل بـي متـال و كنترل فاز و... را نيز انجام مي دهد و حفاظت هاي بيشتري را نيز مي تواند اعمال كند.

بطوركلي سافت استارترها به دو نوع بيسيك و مجهز تقسيم مي شوند
۱- در مدلهاي بيسيك يك كنتاكتور باي پاس با سافت استارتر پارالل مي شود كه پس از راه اندازي موتور، كنتاكور مذكور عملاً  سافت استارتر را باي پس كرده و از مدارخارج مي كند.
۲- اما در مدلهاي مجهز كنتاكتور باي پس خارجي مورد نياز نيست.

باي پاس ؟
يعني سافت استارت از مدار خارج شده و موتور از طریق مسیر دیگری برقدار می ماند. به عبارتي يك كنتاكتور بصورت موازي با سافت استارت نصب مي شود. و اين كنتاكتور پس از راه اندازي موتور توسط خود سافت استارت تغذيه شده و كنتاكتهاي آن وصل مي شود و برق بطور مستقيم به موتوراعمال مي شود.

مزایای استفاده از سافت استارتر
•  حذف جریان هجومی و گشتاور لحظه ای در زمان راه اندازی
•  افزایش طول عمر موتور و پمپ ها
•  افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم
•  کاهش سایز کابلها و کلید های اتصال به شبکه به علت کاهش جریان موتور
•  استارت و استپ سیستم بدون ضربه
•  کاهش هزینه ها، مخصوصا هزینه های تعمیر ونگهداری
•  شتاب گیری و شتاب دهی نرم
از جمله کاربرد های سافت استارتر:
1.  پمپ آب
2.  فن و جت فن
3.  کمپرسور
4.  نوار نقاله
5.  میکسر
6.  سنگ شکن
7.  آسیاب
8.  سانتریفیوژ

نحوه نصب سافت استارتر
سافت استارتر هم شبیه به کنتاکتور سیم بندی قدرت و فرمان دارد سه تا ورودی دارد و سه تا خروجی که به الکتروموتور وصل می شود، خود سافت استارتر برق جداگانه نیاز دارد یعنی یک فاز و نول باید به آن وصل کنیم و شبیه به درایو صنعتی(اینورتر) نیست که از سیم ورودی قدرت تغذیه شود.