اصول PLC: مقدمه ای بر کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی

13 نوامبر 2019 توسط ریک فیلیپس

مقدمه ای بر کنترل های منطقی قابل برنامه ریزی (PLC)

یک سوال متداول از افرادی که در دنیای مهندسی کنترل جدید هستند این است که "تفاوت بین PLC و SCADA چیست؟"

 

تفاوت آنها در این است که PLC مبتنی بر سخت افزار و SCADA مبتنی بر نرم افزار است. در حالی که هر دو تحت دسته «سیستم‌های کنترل» قرار می‌گیرند، SCADA با کمک چندین مؤلفه قابلیت بیشتری نسبت به PLC ارائه می‌کند.

 

در حالت بهینه، می‌خواهید از قابلیت‌های هر دو نوع سیستم کنترل برای برآورده کردن انتظارات طراحی و در عین حال مقرون‌به‌صرفه‌تر شدن (در دراز مدت) استفاده کنید.

 

اسکادا چیست؟

اسکادا مخفف عبارت Supervisory Control And Data Acquisition است. این یک فناوری است که کاربر را قادر می‌سازد تا اطلاعات تاریخی را از چندین تأسیسات (حتی موارد دور) جمع‌آوری کند و حتی بر عملیات کنترل نظارت کند.

 

البته، اطلاعات تاریخی به دست آمده از کل سیستم جمع‌آوری داده (معمولاً از حسگرها و نتایج) توسط کاربر به منظور انجام یک تصمیم کنترلی بر اساس صلاحدید وی تجسم می‌شود.

 

معمولاً این داده ها به منظور بهینه سازی فرآیندها و/یا سیستم ها به صورت آماری تجزیه و تحلیل می شوند. یک مثال می تواند بهینه سازی سود برای یک خط تولید باشد.

 

اخیراً سیستم‌های اسکادا از مفهوم یادگیری ماشینی یا حتی یادگیری عمیق برای پردازش داده‌ها و انجام خودکار تصمیمات کنترلی برای سیستم استفاده کرده‌اند.

 

سیستم یادگیری می تواند به عنوان یک "مغز" عمل کند که می تواند در مورد نتایج مطلوب یا نامطلوب برای یک سیستم بر اساس شرایط بسیار خاص ورودی ها و سایر پارامترها آموزش داده شود. این مانند "خام ترین (بنابراین، پایین تر) نسخه" هوش مصنوعی است.

 

اجزای سیستم های اسکادا

یک سیستم SCADA بسیار بیشتر از سیستم های PLC یک سیستم در مقیاس بزرگ است. در مرکز یک سیستم SCADA اپراتور قرار دارد، در حالی که، در سیستم های کنترل PLC، مرکز خود PLC است.

 

واحد کنترل مرکزی

اپراتور به یک واحد تجسم دسترسی دارد که معمولاً VDU یا واحد نمایش ویدیو نامیده می شود تا داده های بلادرنگ را در مورد شرایط موجود در امکانات نظارت شده کل سیستم کنترل SCADA نشان دهد. اینها از طریق یک کامپیوتر سرور ("جلوگیری" همه داده ها) به اپراتور ارائه می شود.

 

سیستم‌های PLC، در کل، به‌طور مستقل حتی بدون کمک رایانه‌ها عمل می‌کنند، زیرا کنترل‌کننده خود یک رایانه است. این تفاوت زیادی بین یک سیستم کنترل PLC و یک سیستم کنترل SCADA ایجاد می کند زیرا سیستم های SCADA نمی توانند فقط با استفاده از جزء مرکزی به تنهایی کار کنند (البته، بیانیه فرض می کند که دستگاه های ورودی و خروجی وجود دارد). بیشتر در مورد آن بعدا.

 

واحد ترمینال از راه دور

کامپیوتر سرور به واحدهای کنترل دور مختلف به نام RTU یا Remote Terminal Unit متصل است. معمولاً رایانه سرور از طریق یک رسانه انتقال به این RTUها متصل می شود.

 

این RTU ها آنهایی هستند که به امکانات فیزیکی یک فرآیند در داخل یک سیستم SCADA متصل می شوند. RTU داده ها را قبل از ارسال به سرور از طریق رسانه انتقال از قبل پردازش می کند.

 

برگردیم به نکته قبلی، PLC برای تبدیل شدن دستگاه های ورودی و خروجی به سیستم، به رابط دیگری نیاز ندارد. سیستم های اسکادا برای انجام این کار به واحدهای پایانه راه دور نیاز دارند.

 

سپس، تفاوت بین PLC و RTU چیست؟

نکته خوبیه مطمئناً هر دو همپوشانی دارند، اما از نظر نحوه کنترل آنها و همچنین کارهایی که برای انجام آنها طراحی شده اند، بسیار متفاوت تر از آنچه فکر می کنید می شوند.

 

RTU ها معمولا برای ارتباطات از راه دور بین سرور و خود طراحی می شوند. این معمولاً یک پیش پردازشگر داده‌هایی است که از دستگاه‌های متصل دریافت می‌کند، و همچنین دستگاهی برای انتقال پیام‌های دستوری که از سرور می‌آیند.

 

از سوی دیگر، PLCها به گونه ای طراحی شده اند که بر اساس برنامه نویسی PLC، دستگاه ها را در محیط اطراف خود کنترل کنند. PLC به هیچ شرط دیگری غیر از سیگنال هایی که از دستگاه های ورودی متصل می آید متکی نیست. با این حال، PLC به ضبط یا انتقال داده‌های مربوط به فرآیندهای مربوطه توجهی ندارد.

 

از این رو، RTU ها بیشتر به سمت یک نوع کنترل دستی تمایل دارند. علیرغم اتکا به دستورات، RTUها دارای مزیت کنترل از راه دور و همچنین هوشمندانه از طریق تصمیم گیری های دقیق مبتنی بر داده ها هستند.

 

در طرف دیگر طیف، PLC ها بیشتر به سمت یک نوع کنترل خودکار تمایل دارند. آنها فقط به شرایط لحظه ای دستگاه های ورودی متصل هستند، اما توانایی بیشتری در کنترل دستگاه های خروجی بدون نظارت زیاد دارند.

 

رسانه انتقال

در این زمینه، رسانه انتقال به یک رسانه ارتباطی اختصاصی بین دو واحد پایانه - واحد پایانه اصلی (سرور) و RTU اشاره دارد.

 

کابل‌های فیبر نوری معمولاً برای سیستم‌های اسکادا استفاده می‌شوند، در حالی که برخی از خطوط مشترک دیجیتال معمولی (DSL) برای اتصال RTU به کامپیوتر سرور اصلی استفاده می‌کنند. از فناوری رادیویی نیز استفاده می شود. از این رو، تقریباً هر فناوری ارتباطیnology موجود می تواند از نظر فنی برای سیستم های SCADA استفاده شود.

 

مودم ها

شایان ذکر است که اطلاعات دیجیتال را نمی توان مستقیماً از یک رایانه به رایانه دیگر بدون تغییر سیگنال ها به گونه ای ارسال کرد که بتواند از طریق هوا / کابل ها با کمترین خطا و بالاترین وفاداری منتشر شود.

 

اینجا جایی است که از مودم ها استفاده می شود. مودم مخفف "Modulator-Demodulator" است. مدولاتورها یک سیگنال را به شکلی مناسب برای رسانه تبدیل می‌کنند، و دمودولاتورها همان سیگنال را به سیگنال اصلی تبدیل می‌کنند.

 

با استفاده از این وسایل ارتباطی، سیستم های اسکادا به راحتی به عنوان یک شبکه محلی متصل می شوند. این بدان معناست که شما به راحتی می توانید فرآیندهای یک سیستم SCADA را بدون حضور فیزیکی در مرکز واقعی کنترل کنید. شما فقط باید دستورات کنترلی را با استفاده از رایانه سرور ارسال کنید و کارتان تمام است.

 

سیستم های PLC SCADA

حتی اگر می‌خواستیم این دو سیستم را در این پست از هم متمایز کنیم، ممکن است برخی افراد بپرسند که آیا سیستم‌های PLC و SCADA می‌توانند با هم کار کنند.

 

سیستم های PLC می توانند تحت یک سیستم SCADA کار کنند. با رابط های ارتباطی مناسب، معمولاً اترنت، قطعاً می توانید یک سیستم کنترل PLC را تحت یک سیستم SCADA کار کنید.

 

SCADA در کجا استفاده می شود؟

این دو سیستم، فقط از نظر کنترل چندین دستگاه و فرآیند، می‌توانند حتی از نظر قابلیت‌ها کاملاً با یکدیگر رقابت کنند: SCADA می‌تواند از راه دور بسیار خوب عمل کند و PLC می‌تواند در سطح محلی بسیار خوب عمل کند.

 

با این حال، وقتی صحبت از سیستم های ایمنی و سیستم های اندازه گیری محصول می شود، راحتی SCADA ممکن است قابل اعتماد نباشد.

 

با این حال، SCADA دارای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی است – ناگفته نماند که آنها همچنین حوزه های کاربردی بزرگی هستند. اینجا اند:

 

نیروگاه های برق آبی

این نیروگاه ها دارای تعداد زیادی ژنراتور کوچک برق آبی هستند که در کنار هم قرار گرفته اند. بر اساس نیاز برق، آنها روشن یا خاموش می شوند.

 

بدیهی است که انجام این سوئیچینگ با استفاده از کار دستی بسیار دشوار خواهد بود، بنابراین در عوض از سیستم های SCADA استفاده می شود. به این ترتیب، تجسم اینکه کدام گروه از ژنراتورها روشن و کدام یک خاموش هستند آسان تر خواهد بود.

 

علاوه بر این، کل توان تولیدی ممکن است در زمان واقعی و همچنین کل توان مصرفی یا تقاضا شده توسط مشتریان نظارت شود. این به اپراتور اجازه می دهد تا تصمیمات کنترلی را ارائه دهد که در عین حال مقرون به صرفه و به موقع، خواسته های مشتریان را برآورده کند.

 

خطوط لوله برای سیالات یا گازها

خطوط لوله را می توان با باز کردن یا بستن شیرها از پمپ های مختلف متصل به آنها کنترل کرد. از آنجایی که خطوط لوله مسافت زیادی را در بر می گیرند، کاربرد کاملی از نوع سیستم کنترل از راه دور هستند.

 

نکته اینجاست که نشت ها برای محیط زیست خطرناک هستند (معمولا) از این رو سیستم کنترل باید بتواند فوراً به پرسنل مجاز در مورد مشکل اطلاع دهد. سیستم‌های SCADA به خطوط لوله اجازه می‌دهند تا برای مشکل اسکن شوند و همچنین شیرهای بسیار دور را در یک لحظه کنترل کنند. به این ترتیب، نشتی به راحتی کاهش می یابد.

 

انتقال نیرو

در خطوط انتقالی که برق را به کشور منتقل می کنند، بدیهی است که کل سیستم هزاران و هزاران مایل را طی خواهد کرد.

 

خوشبختانه، قدرت به سادگی با باز کردن و بستن سوئیچ ها کنترل می شود که به خط تولید اجازه می دهد تا خواسته های مصرف کنندگان را برآورده کند. مشابه مثال ژنراتور هیدروالکتریک، انتقال نیرو نیز از SCADA با امکان کنترل از راه دور کلیدها در فواصل بزرگ بهره می برد.

 

مخابرات

مخابرات جایی است که داده های زیادی در آن وجود دارد. از این رو، سیستم های SCADA امکان ثبت و نظارت بر داده ها (زمان واقعی) را از طریق یک کامپیوتر مرکزی فراهم می کنند.

 

علاوه بر این، کنترل دستگاه‌های رادیویی مختلف که امکان انتشار سیگنال‌های قابل درک را از طریق مدولاسیون می‌دهند، از طریق کنترل از راه دور در یک سیستم SCADA نیز امکان‌پذیر است.

 

با استفاده از SCADA، حتی یک شبکه گسترده که می تواند کل یک ایالت یا کشور را در بر بگیرد، به راحتی قابل نظارت و کنترل است.

 

سیستم های آب

سیستم های آبیاری نیز بخش بزرگی از یک کشور را پوشش می دهند. با این حال، کنترل دستی هر ایستگاه در هر زمان غیرممکن است.

 

مشابه کاربرد ژنراتور، سیستم‌های آب به جای سوئیچ‌ها، از شیرهایی تشکیل شده‌اند که به آنها اجازه می‌دهند تا میزان آب تحویلی را بر اساس خواسته‌های مشتری افزایش دهند.

 

با استفاده از سیستم‌های اسکادا، می‌توانید هم خواسته‌های مصرف‌کننده و هم میزان تولید خود را نظارت کنید و مطمئناً می‌توانید دستوری صادر کنید که در نیمه راه پاسخگوی آنها باشد.

 

وقتی از SCADA استفاده نمی شود

همانطور که قبلاً گفته شد، با وجود اینکه SCADA یک نوع قوی از سیستم کنترل و نظارت از راه دور است، باید در نظر گرفت که شرایط ایده آل وجود ندارد. از این رو، از آنجایی که SCADA یک نوع سیستم از راه دور است، نباید برای کاربردهای حیاتی به آن اعتماد کرد.

 

به عنوان مثال، اگر جریانی از داده ها به سرور نرسد، ممکن است به نظر یک تفاوت کوچک باشد. اما شاید این ممکن است یکی از مواردی باشد که به طور بالقوه باعث از دست دادن میلیون ها دلار یک شرکت شود. در اینجا یک برنامه کاربردی است که در آن نباید از SCADA استفاده کنید.

 

سیستم های ابزار ایمنی

در سیستم های ابزار دقیق ایمنی، این تصور رایج است که سیستم ابزار دقیقباید طوری طراحی شود که از 3 ویژگی اصلی پیروی کند که عبارتند از:

 

قادر به لغو کنترل عادی

SCADA که خود یک سیستم کنترل است، همچنان به شما امکان می دهد کنترل عادی کل سیستم را نادیده بگیرید زیرا دستورات از نظارت اپراتور پیروی می کنند.

 

دارای اجزای مستقل

حالا، اینجاست که مشکل مطرح می شود. SCADA دارای بسیاری از اجزای مشترک بین سیستم کنترل معمولی و یک سیستم ابزار دقیق ایمنی است.

 

به همین دلیل، یکپارچگی سیستم ایمنی بر یکپارچگی اجزای سیستم کنترل معمولی تکیه خواهد کرد، زیرا آنها دقیقاً یکسان هستند.

 

در حال حاضر، تنها راه حل برای این، اضافه کردن اجزایی (یک RTU) است که استقلال بین اجزای سیستم ایمنی و کنترل عادی را فراهم می کند.

 

بالاترین سادگی

اما، افزودن مؤلفه ها این قانون را نقض می کند! یک سیستم ایمنی باید با ساده ترین شکل ممکن طراحی شود. حداقل تعداد قطعات یا مراحل معمولاً هدف هستند.

 

با این حال، در سیستم‌های راه دور مانند SCADA، این مورد قبلا نقض شده است، زیرا در حال حاضر تعدادی دستورالعمل و مؤلفه‌ها وجود دارد که فرآیند باید قبل از اجرای آن انجام شود.

 

چرا PLC برای سیستم های ابزار دقیق ایمنی بهتر است؟

با تمام آنچه گفته شد، SCADA ممکن است همچنان برای بهبود ایمنی یک سیستم استفاده شود، با این استثنا که ابزار دقیق ایمنی واقعی در سطح محلی با استفاده از یک سیستم متفاوت انجام می شود.

 

PLC برای این مورد مناسب‌تر است، زیرا نه تنها به عنوان یک کامپیوتر ناهموار که می‌تواند شرایط سخت را مدیریت کند، مناسب‌تر است، بلکه برای انجام کار به تعداد انگشت شماری از اجزا نیز متکی است.

 

مطالب مرتبط: چرا از PLC بر روی میکروکنترلرها استفاده می شود

 

علاوه بر این، ارتباط بین PLC و دستگاه ها مستقیم است و نیازی به نظارت ندارد.

 

خلاصه آن: تفاوت بین PLC و SCADA

برای جمع بندی این پست، تفاوت بین PLC و SCADA به شرح زیر است. اسکادا سیستمی است که بر کامپیوترها، نرم افزارها و رسانه های ارتباطی برای نظارت و کنترل از راه دور دستگاه ها در یک سیستم کنترل، معمولاً در مقیاس بزرگ، متکی است. سیستم های اسکادا معمولاً سیستم های کنترلی مبتنی بر داده و تصمیم گیری هستند. سیستم‌های کنترل PLC به سخت‌افزار و اتصالات فوری برای مدیریت مؤثر دستگاه‌های خروجی در یک لحظه زمانی که دستگاه ورودی تغییر حالت می‌دهد، متکی هستند. از سوی دیگر، سیستم‌های PLC توسط تغییرات آنی هدایت می‌شوند.