گزارش کارآموزی ابزار دقیق و شبکه های صنعتی در پتروشیمی شهید تندگویان

مقدمه

 Foundation Fieldbus را بایستی حقیقتاً یک تکامل تکنولوژیکی در زمینه ارتباطات دیجیتالی سیستم های ابزار دقیقی و کنترل فرآیند دانست. این تکنیک اصولا با دیگر پروتکل ها و استانداردهای انتقال اطلاعات بصورت دیجیتال متفاوت می باشد زیرا بجای آنکه فقط مربوط به انتقال دیجیتال اطلاعات باشد برای اجرا و تصمیم گیری های کاربردی در کنترل فر آیند طراحی گردیده است.

آنچه که در ادامه خواهد آمد شرحی بر تکنولوژی Foundation Fieldbus تا بتوان از نتایج و دستاورد های این تکنولوژی و نیز از توانایی های آن آگاهی یافته و تا حدودی در بکار گیری فیلد باس به عنوان یک سیستم بر جسته و تکنولوژی کارا در کنترل فر آیند پیشرفت نمود .

Foundation Fieldbus چیست ؟

F.F   یک سیستم تمام دیجیتال و ارتباط دو سویه است که در آن جریان بصورت سریال و با سرعت kbit/sec  31.25 و تمامی تجهیزات فیلد اعم از sensor ها و actuator ها و controller ها به یکدیگر متصل می باشد . Fieldbus همانند یک شبکه محلی LAN برای ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی و فرآیند است با قابلیت و ظرفیتهای برای توزیع کامل وظایف کنترل در طول شبکه

مزایای Fieldbus

مزیت قابل توجه F.F در بدست آوردن Life Cycle   مناسب با  استفاده از نحوه عملکرد تکنولوژی Fieldbus است .

F.F   برای اجرای استراتژی های کنترل از بلوک های استاندارد FB   استفاده می نماید. بلوک های عملیاتی FB  واحد های  استاندارد عملیات  اتوماسیون می باشند و بسیاری از عملیات کنترلی سیستم مانند ورودی آنالوگ (AI ), خروجی آنالوگ(AO) کنترل های تناسبی,  انتگرال گیر و مشتق گیر (PID ) می توانند با استفاده از این بلوک های عملیاتی انجام پذیرند .

سازگاری در بلوک های  FB سازندگان مختلف و طراحی دقیق موقعیت FB توزیع کامل منطق و کنترل در تجهیزات درون سایت از سازندگان مختلف با یک اسلوب و طریقه کامل و بی نقص را امکان پذیر ساخته است , توزیع توابع کنترل در تجهیزات درون سایت می تواند منجر به کاهش تعداد I/O و دستگاه های کنترل کننده که خود نیاز به کارت ها , کابینت ها و منابع تغذیه دارند شود .

کیفیت و کمیت اطلاعات

در سیستم های کنترلی که تا حال مورد استفاده قرار گرفته اند میزان اطلاعاتی که در دسترس کاربر قرار می گیرد بیش از متغیر های کنترلی نیست لیکن در F.F  میزان اطلاعات بیش از این است و این یکی از مزایای اصلی ارتباط و انتقال اطلاعات دیجیتالی است .

در کنار این فیلد باس ضمن داشتن دقت و وضوح بیشتر در سیگنال ها نیازی به تبدیلات A/D  و D/A  که خود باعث اعوجاج (Distortion ) می گردد که همین امر باعث اعتماد بیشتر در کنترل می گردد . علاوه بر اینکه نتیجه سپردن وظیفه کنترل به تجهیزات درون سایت باعث انجام وظیفه بهتر حلقه کنترلی و کم شدن Degradation کنترل می گردد .

فیلد باس این امکان را فراهم می سازد که متغیر های متفاوتی از هر دستگاه را در سیستم کنترل داشته باشیم که می توانند برای مواردی مانند ذخیره اطلاعات قبلی  , تجزیه و تحلیل , مباحث بهینه سازی فر آیند و تولید گزارشات مورد استفاده قرار گیرند صحت بالا و بدون اعوجاج کاراکتر های ارتباط دیجیتال توانایی و ظرفیت سیستم کنترل را بالا برده است که نتیجه آن نهایتا کیفیت بالاتر محصول است .

تعمیرات

خاصیت خود آزمایی (Self-Test ) و ظرفیت ارتباطی تجهیزات فیلد باس که بر پایه استفاده از میکروپروسسور های قدرتمند در تجهیزات آن می باشد کمک بزرگی به حذف در سرویس نبودن تجهیزات و در نتیجه اطمینان از ایمنی واحد شده است . بعد از دریافت  وضعیت غیر نرمال و یا در زمان نیاز به تعمیرات پیشگیرانه کارکنان بهره برداری و تعمیرات واحد می توانند از این وضعیت اطلاع پیدا کنند که این امر منجر به عکس العمل های صحیح سریع و ایمن می گردد .

قابلیت سازگاری

F.F  یک پروتکل باز است به این معنی که سازندگانی که تایید و گواهی Foundation Fieldbus   را دارند دستگاهها و تجهیزات آنها می توانند به همراه  تجهیزات دیگر سازندگان که آنها نیز این تائیدیه را نیز کسب کرده باشند کار نمایند یعنی در یک سیستم کنترل تجهیز اتی از سازندگان مختلف به همراه یکدیگر نصب گردند .

این قابلیت که تجهیزات مختلف از سازندگان مختلف بدون وابستگی به سازنده خاص بتوانند به همراه  یکدیگر در یک سیستم کار نمایند بدون از دست دادن خواص و عملکرد هر کدام از تجهیزات را Interoperability  می گویند .

این قابلیت در انتخاب سازنده که بدانیم تمامی تجهیزات به همراه یکدیگر می توانند کار کنند در واقع یک پیروزی رویایی برای کار بران می باشد .

تکنولوژی Foundation Fieldbus

این تکنولوژی شامل سه بخش اساسی و اصلی است که عبارتند از :

لایه فیزیکی

مجموعه ارتباطات

برنامه های کاربردی کا ربر

مدولاسیونی که برای این سیستم و تجهیزات آن استفاده شده بر اساس مدل  ارتباطات و انتقال اطلاعات در لایه های ارتباطی سیستم های باز OSI  (Open System Interconnect ) می باشد .

لایه فیزیکی همان لایه شماره 1 از OSI می باشد .

لایه ارتباطات اطلاعات DLL (Data Link Layer ) شماره 2 از OSI می باشد .

مشخصه پیام فیلد باس FMS  (Fieldbus Message Specification  ) شماره 7 از OSI می باشد .

فیلد باس لایه های شماره 3,4,5,6 از OSI را استفاده نمی کند . لایه فرعی دسترسی به فیلد باس FAS  (  Fieldbus Access Sublayer  ) لایه FMS را با لایه DLL ترکیب می سازد .

برنامه های کاربردی کاربر بوسیله لایه OSI  تعریف نشده است،و  F.F  مدل برنامه های کاربردی را مشخصاّ برای فیلد باس طراحی و تعریف کرده است.

هر لایه در سیستم ارتباطی مسئولیت بخشی از پیام ارسالی بر روی شبکه فیلد باس را بر عهده دارد . اعداد زیر اعداد تقریبی یک کد هشت بیتی "Octal" که برای هر لایه جهت انتقال اطلاعات کاربر استفاده می شود را نشان می دهد .   

لایه فیزیکی

لایه فیزیکی بر اساس استاندارد های مورد تصویب کمیته بین المللی الکتروتکنیک IEC  و انجمن بین المللی اندازه گیری و کنترل  ISA  تعریف شده است .

لایه فیزیکی پیامها را از مجموعه ارتباطات " Communication Stack " گرفته و آنرا به یک سیگنال فیزیکی قابل انتقال در شبکه فیلد باس تبدیل می کند و بالعکس .

اعمال مبدل شامل اضافه و کم کردن عناوین تعیین محدوده شروع و محدوده پایان است . 

سیگنال فیلد باس با استفاده از تکنیک Manchester Biphase-L  به کد بر گردانده می شوند . این سیگنال "سیگنال سریال سنکرون" نامیده می شود زیرا سیگنال clock  با جریان سریال اطلاعات محاط و ترکیب می شود .

اطلاعات با سیگنال clock  ترکیب می شود تا سیگنال فیلد باس همانطور که در شکل پیداست تولید شود . در یافت کننده سیگنال فیلد باس آنرا مانند شکل زیر دریافت می کند . این دریافت کننده سیگنال فیلد باس لبه انتقال به مثبت  "Positive Transition  " در میانه یک بیت - زمان را بعنوان " صفر منطقی " و لبه انتقال به منفی " Negative Transition  " را بعنوان یک منطقی ترجمه و تعبیر می کند .

 کاراکتر ها و علایم بخصوصی وظیفه توضیح عنوان محدوده شروع و محدوده پایان را بر عهده دارند .

"عنوان “ بوسیله دریافت کننده جهت سنکرون نمودن ساعت داخلی آن با سیگنال فیلد باس ورودی استفاده می شود .

کد های مخصوص N+  و N-  کد های محدوده شروع و محدوده پایان می باشند . دقت کنید که سیگنالهای N+و N- هیچگاه در میانه یک بیت – زمان تغییر نمی کنند دریافت کننده از "محدود کننده شروع " برای دست یافتن به نقطه شروع پیام فیلد باس استفاده می کند . وقتی که " محدود کننده شروع " را یافت , دریافت کننده شروع به پذیرش اطلاعات می کند تا زمانی که "محدود کننده پایان " را دریافت کند .

سیگنال سازی در فیلد باس (31.25 Kbit/s )

دستگاه ارسال کننده یک جریان 10mA  + برs  31.25 Kbit/  معادل با یک Load  برابر با 50 ohm   جهت تولید یک ولتاژ 1 Vp-p که سوار بر روی ولتاژ تغذیه جریان مستقیم باشد را ارسال می کند .

ولتاژ تغذیه DC می تواند بین 9-30 V  متغیر باشد ولی در هر حال در کار با IS (Intrinsically Safe ) ولتاژ تغذیه مجاز بستگی به محدوده کار Barrier دارد .

دستگاه ها با سرعت s 31.25 Kbit/  می توانند مستقیما از روی شبکه فیلد باس تغذیه شوند یا با سیم کشی که قبلا هم برای دستگاه های  4-20 mA مرسوم بود کار نمایند .

فیلد باس s 31.25 Kbit/  همچنین فیلد باس های با سد های حفاظتی IS   را با تجهیزات تغذیه شونده از روی Bus  پشتیبانی می کند . برای انجام این منظور Barrier  های IS بین منبع تغذیه در محل ایمن ) Safe ) و دستگاه های IS  در محوطه های خطرناک نا ایمن (Unsafe ) قرار می گیرند همچنین در شبکه فیلد باس داشتن یک شاخه اصلی و چندین شاخه فرعی مجاز می باشد .

طول شبکه فیلد باس بر اساس میزان انتقال اطلاعات , نوع کابل , سایز سیمها ,  خصوصیت تغذیه از روی Bus  خصوصیت  IS  اندازه گیری و محاسبه می شود .

اتر نت بسیار سریع HSE

دستگاه متصل کننده "Linking Devise "  برای متصل کردن شبکه های s 31.25 Kbit/  به یکدیگر و ساختن آنها جهت دسترسی به HSE با میزان انتقال و سرعت  1 Gbit/s = 100 Mbit/s  مورد استفاده قرار می گیرند . واسطه های I/S  زیر مجموعه سیستم که در شکل نشان داده شده اند این توانایی را بو جود می آورند تا دیگر شبکه ها مانند Devise Net و Profibus  به بلوک های عملیاتی استاندارد FF بپیوندند .  همچنین واسطه های I/O زیر مجموعه سیستم می توانند به فیلد باس s  31.25 Kbit/  یا HSE متصل شوند .

تا زمانی که کلیه پیامهای شبکه فیلد باس/S  31.25 Kbit  بر روی HSE   مخابره می شود پروتکل های استاندارد HSE ( شامل TCP/IP , SNTP , SNMP ,….  ) به کار برده می شود و تمامی تجهیزات تجاری این شبکه ها مانند سوییچها و تنظیم کننده های مسیر را جهت ساختن یک شبکه بزرگتر می توان در آن به کار برد البته تمام یا قسمتی از شبکه HSE  را می توان Redundant نمود .

مجموعه ارتباطات Communication Stack

در قسمتهای زیر عملکرد لایه مربوط به مجموعه ارتباطات شرح داده می شود :

لایه اتصال اطلاعات (Data Link Layer)DLL

لایه 2 لایه اطلاعات DLL، انتقال اطلاعات به شبکه فیلد باس را کنترل میکند.DLL دسترسی به شبکه فیلدباس را از طریق یک عامل مرتب کننده برای برنامه ریزی BUS که برنامه ریزی فعال ارتباط LAS نامیده میشود مدیریت میکند. DLL خود یک زیر مجموعه از استاندارد وضع شده تحت نام IEC/ISADLL STANDARD میباشد.

انواع تجهیزات

در مشخصه های DLL دو نوع دستگاه تعریف شده است:

-BASIC DEVICE

- LINK MASTERT

دستگاههای Link master توانائی عهده دار شدن LAS را دارند لیکن دستگاههای basic فاقد این توانئی میباشند.

انتقال و اتباط برنامه ریزی شده

برنامه ریز فعال ارتباط LAS فهرستی از زمان ارسال اطلاعات بافر در تمامی دستگاههایی که نیاز به ارسال دوره ای و متناوب را در اختیار دارد.

هنگامی که زمان ارسال بافردستگاه باشد، LAS یک پیام اطالاعات اجباری (Compel Data)CD

به دستگاه ارسال میکند. با دریافت CD، دستگاه اطلاعات بافر خود را به تمامی دستگاهها در شبکه فیلدباس انتشار (publish) میدهد. هر دستگاهی که برای دریافت این اطلاعات پیکربندی شده است مشترک (subscriber)نامیده میشود.

ارسال اطلاعات برنامه ریزی شده (schedule) بطور نمونه برای ارسال اطلاعات لوپ کنترل بین تجهیزات شبکه فیلدباس بطور منظم و دوره ای مورد استفاده قرار میگیرد.

انتقال و ارتباط غیر برنامه ریزی شده

تمامی دستگاهها در یک شبکه فیلدباس این شانس را دارند که پیامهای غیر برنامه ریزی و غیر فهرست شده(unscheduled) خود را در بین ارسال پیامهای برنامه ریزی شده و فهدست شده (schedule)، ارسال دارند.

LAS  با دور پیام (Pass Token) PT اجازه استفاده از شبکه فیلدباس به دستگاه میدهد زمانی که دستگاه PT را دریافت کرد، اجازه دارد که اطلاعات خود را ارسال نماید تا زمانی که پیام خانمه یا حداکثر زمان نگاهداری Token خاتمه یابد هر کدام که زمان کمتری ببرد.

نحوه عملیات برنامه ریز فعال ارتباط Link Active Scheduler

در بخشهایی که در پی خواهد آمد به شرح جامع از نحوه عملکرد برنامه ریز فعال ارتباط LAS خواهیم پرداخت. الگوریتمی که بوسیله LAS استفاده میشود در تصویر زیر امده است.

فهرست CD

 فهرست CD در برگیرنده لیستی از فعالیتهایی است که بر پایه و مأخذ دوره ای برنامه ریزی شده است. در یک زمان دقیق برنماه ریزی شده ، LAS پیام (Compel Data)CD را به یک دستگاه فیلدباس مشخص برای ارسال اطلاعات بافر ارسال میکند. در همین زمان دستگاه دریافت کننده CD پیام خود را به کلیه دستگاههایی که در شبکه فیلدباس وجود دارند انتشار داده یا اعلام میکند. بالاترین فعالیت اجرائی که LAS داشته و بر بقیه وظائف نیز تقدم دارد همین است مابقی عملکرد ها و فعالیتها در بین ارسالهای برناه ریزی شده انجام میپذیرد.

تعمیرات براساس فهرست زنده  Live List

فهرستی از کلیه دستگاههای که بصورت صحیح به سیگنال PT پاسخ دهند فهرست زنده یا Live List نامیده میشود.د هر زمانی ممکن است دستگاههای جدیدی به شکل فیلدباس اضافه شوند، LAS یک پیام PN Prob Node)) را بصورت دوره ای به تمامی آدرسهایی که در Live List وجود ندارد ارسال مینماید. اگر دستگاهی در این آدرسها وجود داشته باشد و PN را دریافت آنا پیام (Prob Response)PR را بازگشت میدهد. اگر دستگاه بوسیله PR پاسخ دهد. LAS آنرا به Live List اضافه کرده و با ارسال پیام فعال شدن Node به دستگاه وجود و اضافه شدن آن به شبکه را تایید میکند.

LAS بعد از اتمام هر دوره ارسال PT به تمامی تجهیزاتی که در Live List وجود دارند احتیاج به آزمایش حداقل یک آدرس دارد.

هر دستگاه تا زمانی که به PT ارسالی از LAS پاسخ صحیح میدهد در Live List باقی میماند اگر دستگاهی token ارسالی از LAS را استفاده نکرد یا پاسخ آنرا پس از سه بار سعی باز نگرداند، LAS این دستگاه را از Live List خارج میکند.

هر گاه دستگاهی به Live List اضافه شده یا از آن کم شود. LAS این تغییر را به تمامی دستگاههای دیگر اعلام میکند این مسئله امکان آنرا به هر دستگاه میدهد که همیشه یک کپی از وضعیت جاری Live List داشته باشد.