عنوان :

تحقیق بررسی سیستم های کنترل گسترده DCS

تعداد صفحات :۱۴۱

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این تحقیق به بررسی سیستم های کنترل گسترده DCS در ۴ فصل می پردازد.

در فصل اول به معرفی سیستم PROCONT ROL P می پردازد. سیستم PROCONTROL P ساخت شرکت ABB یکی از سیستم ها کنترل گسترده است که برای کنترل نیروگاه ها استفاده می شود. در این سیستم با استفاده از حافظه در ریزپردازنده سعی شده است که تا حد ممکن از نرم افزار به جای سخت افزار استفاده گردد. همچنین به جای استفاده از روش سیم کشی معمول از سیستم باس استفاده شده است. باس حاوی تمامی سیگنال ها و اطلاعات کامل سیستم است. این سیستم به گونه ای طراحی شده است که تمام وظایف کنترل ‏فرآیند و نمایش آن را انجام دهد. این وظایف عبارتند از:

تبدیلات سیگنالها، انتقال اطلاعات، نظارت، کنترل دیجیتال، کنترل آنالوگ، حفاظت ، مدیریت فرآیند، بهره برداری و مراقبت فرآیند

PROCONTROL P  دارای یک شاهراه ارتباطی است که انتقال اطلاعات با این وسایل و اجزای کنترلی را برقرار می سازد.

انتقال اطلاعات به صورت سریال و پیوسته برای کنترل سیستم از طریق یک شاهراه ارتباطی صورت می گیرد. این شاهراه غالباً دارای یک ساختار دو کاناله و به خاطر افزونگی است. ایستگاهها به شاهراه ارتباطی متصل می شوند. از این ایستگاه ها به منظور انجام اعمال تبدیل سیگنال ها و کنترل دیجیتال و آنالوگ استفاده می شود.

در فصل دوم معیارهای ارزیابی و اولویت بندی را بیان می کند. سیستم های کنترل، حفاظت و سبک اطلاعات DCS در نیروگاه های بخاری دارای دو بخش عمده سخت افزار و نرم افزار می باشند.

در فصل سوم سیستم های کنترل گسترده Des به تعریف و تاریخچه سیستم می پردازد.

در فصل چهارم نرم افزار شبیه سازی DCS را معرفی می کند. این برنامه به زبان MATLAB نوشته شده و هدف آن شبیه سازی یک سیستم کنترل گسترده (DCS) می باشد. این بسته نرم افزاری در محیط Windows اجرا می شود. روش نوشتن و اجرای آن تا حد زیادی به طریقه برنامه نویسی شیء  گرا (object-oriented programming) بوده و از لحاظ اجرایی به صورت event- driven می باشد. بنابراین در اینجا به طور مختصر در مورد برنامه نویسی شی‌ء گرا توضیحاتی را ارائه می کنم تا آشنایی بیشتری با ساختار داخلی نرم افزار حاصل گردد. البته واضح است که این بررسی تنها در حد یک معرفی ساده بوده و بسیاری از جنبه های اصلی و مهم روش شیء گرا را در بر نمی گیرد.

واژه های کلیدی: سیستم های کنترل گسترده، سیستم PROCONT ROL P، شاهراه ارتباطی

 فهرست مطالب

فصل اول:
۱- معرفی سیستم PROCONT ROL P   ۲
۱-۱- سیستم عیب یابی   ۷
۲-۱- دستگاه POS   ۷
۲- تجهیزات کنترل و ابزار دقیق   ۱۱
الف- مدول ورودی آنالوگ   ۱۳
ب- مدول ورودی دیجیتال   ۱۵
ج- مدول ورودی سپکنال آنالوگ   ۱۷
د- مدول خروجی دیجیتال    ۱۷
هـ – مدول کنترل آنالوگ و دیجیتال   ۱۷
۳- رابط های استاندارد   ۲۰
۴- سیستم انتقال اطلاعات   ۲۱
۱-۴- شاهراه ارتباطی   ۲۱
۲-۴- باس ایستگاه   ۲۲
۳-۴- ساختار تلگرام   ۲۳
۵- سیستم ایمنی و حفاظتی قابلبرنامه ریزی   ۲۵
۶- سیستم مهندسی، طراحی و سرویس EDS   ۲۶
فصل دوم:
معیارهای ارزیابی و اولویت بندی   ۲۹
اتاق کنترل مرکزی   ۲۹
پانل کنترل واحد (UCB)   ۳۰
سیستم انتقال اطلاعات و مدارهای واسط (باس و شبکه)   ۳۱
سیستم های جنبی و پشتیبان DES   ۳۱
مشخصه های سازندگان   ۳۱
مشخصه های ساختار سیستم های بررسی شده   ۳۲
اختصاص امتیاز برای معیارهای ذکر شده   ۳۲
بررسی سیستم های بررسی شده از نظر فنی   ۳۳
مزایای ABB   ۳۳
فصل سوم
سیستم های کنترل گسترده Des   ۳۷
۱-۳- با  مقدمه، تعریف و تاریخچه   ۳۷
۲-۳- کنترل گسترده   ۴۶
سیستم های کامپیوتر مرکزی دوگانه   ۵۰
الزامات اساسی در سیستم کنترل گسترده   ۵۲
طراحی ورودی و خروجی   ۵۵
۱- الزامات ورودی و خروجی   ۵۵
۲- روش های ورودی و خروجی   ۵۵
واحد کنترل محلی   ۵۵
زبان های برنامه نویسی کنترلی   ۵۹
واسطه های اپراتور   ۶۲
نظارت پروسه   ۶۴
کشف موارد غیر عادی   ۶۵
کنترل فرایند   ۶۶
ثبت نتایج فرایند   ۶۸
عملیات معمول در واحد LCU در ایستگاه های جدید   ۷۰
اعلام کننده های هوشمند   ۷۱
انتخاب مولفه های ایستگاه   ۷۲
فصل چهارم:
معرف نرم افزار شبیه سازی DCS   ۷۴
برنامه نویسی به روش شیء گرا   ۷۴
الف- اشیاء   ۷۶
ب- کلاسها   ۷۸
ج- وراثت   ۷۹
دلایل استفاده از روش شیء گرا   ۸۰
تسهیل و نگهداری   ۸۱
بهره گیری از حالت های عمومی   ۸۱
کم کردن پیچیدگی   ۸۲
طراحی نرم افزار    ۸۳
شرح نرم افزار   ۸۳
چگونگی استفاده از برنامه   ۸۴
محاسبات و کنترل فرایند سیستم   ۸۷
صفحه های نمایشی اپراتور   ۹۳
صفحات نمایشی برنامه    ۹۳
گرایش های آماری   ۹۵
شرح بعضی جزئیات   ۱۰۵
تعریفل توابع عملیاتی مورد استفاده در برنامه   ۱۰۸
توابع ایجاد کننده خروجی های Plant   ۱۱۲
منابع                              ۱۳۳

مراجع

M. Jamshidi. “Large Scale System. Modeling. Control”. ۱۹۸۳ J.R Leight. “Aplied Digital Control, Theory, Design & Implementaion”, Second Edition- 1985, 1992.

Morris Sloman and Jeff Krammer, “Distributed System. Control by Distributed Intelligence”. Scientution Press.Washington D.C., 19871

Bela G.Liptak, “ Instrument Engineer’s Handbook”, Process Control, Honeywell, “TDC 2000. System Overview. System”. Van Nosand Peinhold Co., New York, 1986.

William L. Schvebi. “ Data Communications”. McGraw Hill lnc, 1988.

]۱۰[ شرکت نرم افزاری مینا، مدیریت شبکه های کامپیوتری، مرکز نشر سحر، اسفند ۱۳۷۰٫

Williams. T.J. “Two Decay of Change- A Review of 20 Year History of Computer Control”. Control Engineering. Vol. 24.

No.9. 1977, pp. 71-76.

Williams, T.J.. “Computer Control” , Control Tecnology- Past, Present and Probable Future”. Trans. Inst Meas and Control. Vol 5. No.l. 1983, pp. 7-19.

Kompass. E.J. The Choices in Distributed Control”.

Control Engincering. Vol. 26. No.6. Jume 1979. Pp. 57-61.

Technol

معرفی سیستم PROCONTROL P

   سیستم PROCONTROL P ساخت شرکت[۱] ABB یکی از سیستم ها کنترل گسترده است که برای کنترل نیروگاه ها استفاده می شود. در این سیستم با استفاده از حافظه در ریزپردازنده سعی شده است که تا حد ممکن از نرم افزار به جای سخت افزار استفاده گردد. همچنین به جای استفاده از روش سیم کشی معمول از سیستم باس[۲] استفاده شده است. باس حاوی تمامی سیگنال ها و اطلاعات کامل سیستم است. این سیستم به گونه ای طراحی شده است که تمام وظایف کنترل ‏فرآیند و نمایش آن را انجام دهد. این وظایف عبارتند از:

تبدیلات سیگنالها[۳]

انتقال اطلاعات

نظارت

کنترل دیجیتال

کنترل آنالوگ

حفاظت

مدیریت فرآیند

بهره برداری و مراقبت فرآیند

PROCONTROL P دارای یک شاهراه ارتباطی[۴] است که انتقال اطلاعات با این وسایل و اجزای کنترلی را برقرار می سازد.

انتقال اطلاعات به صورت  سریال و پیوسته برای کنترل سیستم از طریق یک شاهراه ارتباطی صورت می گیرد. این شاهراه غالباً دارای یک ساختار دو کاناله و به خاطر افزونگی است. ایستگاهها[۵] به شاهراه ارتباطی متصل می شوند. از این ایستگاه ها به منظور انجام اعمال تبدیل سیگنال ها و کنترل دیجیتال و آنالوگ استفاده می شود.

 کنترل و نظارت اپراتور بر فرآیند به وسیله دستگاه ارتباط با اپراتور[۶] POS انجام می‌پذیرد. Pos برای این نمایش فرایند از تصویرهای رنگی و برای دریافت پیام از صفحه کلیدها و یا Mouse استفاده می کند. به وسیله سیستم عیب یاب[۷] CDS علاوه بر عیب یابی خودکار سیستم و تجهیزات، قابلیت مشاهده و دسترسی به تمامی اطلاعات سیستم فراهم گشته است.

    رابطهای استاندارد امکان ارتباط ببین Procontrol P و کامپیوتر و یا سایر سیستم های کنترل را برقرار می سازند. Procontrol P وظایف کنترل و حفاظت قسمت های مهم و حساس مثل کنترل و حفاظت توربین و یا حفاظت دیگ بخار را نیز به عهده می گیرد.

    سیستم ها و اجزاء منحصر به فرد و غیر متمرکز با ترکیب شدن با یکدیگر گروه های پردازشی جامع و کاملی را در سطوح مختلف سیستم کنترلی، به صورت سلسله مراتبی به وجود می آورند.

یک مدول الکترونیک عمل کنترل یک یا چندمحرک وابسته به هم را انجام می دهد. این کار در سطح کنترل محرک صورت می گیرد. در سطح بالون کنترل محرک، چندین مدول کنترل  محرک که مربوط به یک قسمت از فرآیند هستند، با استفاده از یک مدول در سطح کنترل گروهی، هدایت و هماهنگ می شوند.

    در سیستم های پیشرفته کنترل خودکار، کنترل تمام سیستم توسط یک واحد کنترل، از سطح واحد صورت می گیرد. به خاطر ساختار غیر متمرکز و قابلیت پیشتیبانی، سیستم POS می تواند تمام نیازها برای دسترسی به سیستم را پاسخ دهد. سطح مدیریت، وظیفه مدیریت و نظارت روی چندین واحد مختلف، برای انجام عملیاتی معین (از قبیل بهینه کردن قیمت و …) را بر عهده دارد.

نیازها و ملزومات مختلف قابل دسترسی و یا پشتیبانی برای سیستم های نیروگاهی عبارتند از:

–  دسترسی سریع برای سیستم هایی که تاثیر مستقیم بر روی تولید دارند.

–  دسترسی متوسط به قسمت هایی که یک اشکال یا خطای کوتاه مدت در آنها باعث تاثیر بر روی تولید نشود.

–         امکان دسترسی به قسمت هایی که تاثیرات اندکی روی تولید دارند.

نیازهای دسترسی در هر یک از موارد بالا به وسیله یک طراحی مناسب با ایجاد سیستم پشتیبانی صورت می گیرد.

خصوصیات این سیتسم در ضمیمه الف ارائه شده است.

 

۱٫سیستم عیب یاب

سیتسم کنترل Procontrol P به طور خودکار اشکالات سیستم را نشان می دهد. مبدلها، اندازه گیرها، مدولها سیستم انتقال و کنترل کننده ها به طور کامل بررسی و کنترل می شوند. تمام مدولها دارای قابلیت خود عیب یابی هستند.

تجهیزات عیب یابی کاملا از وسایل و تجهیزات عملیاتی مستقل هستند. علائم هشدار دهنده، علاوه بر اینکه بر روی مدولهای مختلف مشخص هستند، همراه با جزئیات در قسمت اطاق کنترل نیز نمایش داده می شوند. عملکرد خودکار تشخیص عیب برای تجهیزات کنترلی، عیب یابی سریع  کاهش زمان تعمیرات و در نتیجه، بالارفتن قابلیت اعتماد را در خواهد داشت.

۲٫دستگاه POS

این قسمت با بهره گیری از واحد نمایش رنگی ویدیوئی VDU[8] و صفحه کلید ها، Mouse امکان نمایش و زمان در تنظیم و هدایت فرآیند را مهیا می سازد. سیستم ارتباط با اپراتور طراحی شده برای اتاق کنترل، pos 20 و یا pos 25 است، که هر کدام دارای خصوصیاتی می باشند. Pos 20 نسخه قدیمی تر این سیستم است که بر مبنای کامپیوترهای VAX کار می کند و از نظر عملیاتی از pos 25 (که جدیدتر است) ضعیفتر می باشد. Pos 25 براساس کامپیوتر های شخصی کار می کند. این کامپیوتر ها باید دارای قابلیت هایی همچون حافظه زیاد و پردازشگر قوی باشند. در هر حال، هر دو سیستم با توجه به تفاوت هایی که دارند قابلیت ارتباط وسیعی را مابین اپراتور و فرایند فراهم می کنند.

مشترکات این دو سیستم در اینجا بحث می شود و خصوصیات آنها در ضمایم ب و ج در آخر گزارش ارائه شده است.

با توجه به خصوصیات سیستم سلسله مراتبی،در اتاق فرمان نیز برای نمایش اطلاعات از این روش استفاده شده است. دستگاه pos دارای ساختار غیر متمرکز است که در شکل ۳ نشان داده شده است.

 دستگاه pos برتری های زیر را نسبت به اتاق فرمان های معمولی دارد.

–  بنا به نیاز اپراتور، اطلاعات را روی صفحه تصویر، نمایش می دهد. نمایش اطلاعات در هر تصویر به اندازه کافی و لازم با درج جزئیات در هر زمان می باشد.

–  هماهنگی بهتر با ساختار غیر متمرکز برای هدایت فرایند، نسبت به کنترل فرایند از اتاق فرمان های معمولی با حجم اطلاعات زیاد احتیاج به فضای کمتری دارد.

–         قابلیت تطبیق ساده و انعطاف پذیر نسبت به وظایف متغیر

–         قابل برنامه ریزی

–         نمایش با کیفیت عالی

–         نگاهداری ساده

–         قابل توسعه (سادگی)

 مشخصه ویژه دستگاه POS امکان نمایش گرافیکی و چند جانبه در سطوح مختلف است. این نمایش ها عبارتند از:

۱-نمایش کل فرایند: نمایش بخش های مختلف فرایند و اعلام اشکالات آنها

۲-نمایش ناحیه: نمایش جامع گروه های عملیاتی بخشی از فرایند (ناحیه) و اعلام اشکالات انها

۳-نمایش گروه: نمایش جامع عملیات حلقه های کنترل یک گروه مشخص یا مقادیر اندازه گیری شده

۴-نمایش حلقه: مسیر کامل عملیات یک حلقه کنترل و مقادیر اندازه گیری شده را نمایش می دهد.

۵-تصور Mimic: نمایش عمومی و شبیه سازی شده فرایند و نمایش اطلاعات جاری فرایند

۶-نمایش منحنی: نمایش کمیت ها نسبت به زمان «امکان ثبت و نمایش ۶ محنی روی صفحه تصویر با دقت و درجه بالای گرافیکی وجود دارد.»

۷-تصویر مشخصه[۹]: نمایش منحنی مشخصه د رمحورهای X – Y که نشان دهنده نقاط کار جاری اجزا مهم فرایند

۸-نمایش نمودار[۱۰]: نمایش گروهی از کمیت ها، (مثل درجه حرارت) که دارای یک واحد یکسان می باشند.

۹-نمایش اخطار یا هشدار: تمام اشکالات و هشدارهای سیستم نمایش داده می شود و در صورت بروز اشکال با فشردن یک کلید بدون توجه به هر سطح می توان به نمایش هشدار رجوع کرد.

یکی از قابلیت های پیشرفته این سیتسم استفاده از چند VDU برای نمایش اطلاعات فرایند و صفحه کلیدهایشان برای انتخاب نوع تصویر می باشد. این وسایل می توانند باکامپیوترهای موجود در شبکه ارتباط داشته باشند. کامپیوترها به یک باس مرکزی متصل هستند و از طریق اطلاعات کل فرایند رامنتقل می کند. یک قابلیت مهم  دیگر این سیستم طراحی اتاق کنترل بدون در نظر گرفتن اندازه کل فرایند است. این مسئله در جایی اهمیت خود را نشان می دهدکه فرایند به تدریج و به مرور زمان تکمیل گردد. چرا که مقدار اطلاعات که نمایش داده می شود، فقط به تعداد کامپیوترهای غیر متمرکز که مورد استفاده قرار می گیرند، بستگی دارد. بنابراین احتیاج به تغییر سیستم نداریم. برای هر کدام از کامپیوترهای موجود می توان یک کامپیوتر به عنوان افزونه در نظر گرفت تا قابلیت اطمینان افزایش یابد.

اجزا سخت افزار سیستم POS عبارتند از:

        · رابط برای اتصال به شاهراه ارتباطی دوگانه (دوبل)

        · سرویس دهنده[۱۱] و وسایل جانبی (چاپگر، صفحه کلید، کامپیوتر و ….)

  · شبکه استفاده شده در این سیستم Ethernet می باشد. این شبکه معمولا دارای افزونگی است.

به وسیله شبکه LAN چندین واحد پردازشگر با صفحه کلیدها، چاپگرها، و … می توانند با هم در ارتباط باشند. ارتباط با شاهراه ارتباطی دوگانه به وسیله مدولهای رابط که هوشمند هستند انجام می گیرد. بدین وسیله انتقال اطلاعات در مسیر سیستم کنترل به pos و بالعکس، از مسیر pos به سیستم کنترل جریان می یابد. واحد پردازنده مرکزی یک کامپیوتر پر قدرت ۳۲ پیتی با حافظه زیاد است.

تجهیزات کنترل و ابزار دقیق[۱۲]

ایستگاه ها از مجموعه مدولهایی که وظیفه ارتباط سیگنالها، کنترل دیجیتال و آنالوگ و همچنین نظارت بر ارتباطات بین مدولها و تشخیص عیب را بر عهده دارند، تشکیل شده اند.

شاهراه ارتباطی به طریق دو خط مجزا و ایزوله وارد ایستگاه می شود. یک مدول تزویج[۱۳] رابطه مخابراتی بین شاهراه ارتباطی و باس ایستگاه[۱۴] را فراهم می سازد. خطوط ارتباطی برای قابلیت اطمینان بیشتر دارای ساختار دوتایی (دوکاناله) هستند. جریان اطلاعات در داخل ایستگاه به وسیله کنترل کننده باس ایستگاه که کاملا خودکار و مجزا از شاهراه کار می کند، تنظیم و کنترل می شود. بنابراین عملکرد مستقل یک ایستگاه نیز امکان پذیر است. ایستگاه ها دارای خواص زیر هستند:

        · ساختار مدولور

  · در جاهایی که سیستم کنترل باید از لحاظ حجم کار محدود باشد، توابع کنترلی در یک ایستگاه قرار می گیرند.

  · امکان ارتباط هر نقطه اطلاعاتی را هر نقطه دیگر در سیستم از طریق شاهراه ارتباطی وجود دارد.

  · برحسب کاربرد (اندازه گیری آنالوگ یا دیجیتال) می توان مدول ها را در ایستگاه های مختلف توزیع نمود.

رابطهای سیگنال های ورودی به سیستم که کار اتصال فرآیند به باس سیستم و همچنین تبدیل سیگنال ها را به عهده دارند. همانند مدولهای ورودی سیگنال، مدولهائی برای خروج سیگنال‌ها نیز موجود می باشد که سیگنال روی باس را به سیگنال ولتاژ یا شدت جریان تبدیل می کند.

الف- مدول ورودی آنالوگ

این مدول ها برای سیگنال های آنالوگ با جریان صفر یا ۴ تا mA20، ولتاژ ۰ تا ۱۰ ولت، ترمومترهای مقاومتی و ترموکوپل ها مورد استفاده قرار می گیرند.

مدولهای ورودی آنالوگ دارای قابلیت های زیر هستند:

۱-منبع تغذیه برای ترانسمتیوها

۲-ایزوله بودن ونداشتن تداخل با سیستم

۳-آزمایش سیگنال برای بررسی خارج از محدوده بودن[۱۵]

۴-دامنه عملکرد از %۵۰ تا %۱۵۰ دامنه اندازه گیری

۵-خطی کردن منحنی مشخصه RTD و ترموکوپلها

۶-نظارت و اعلام حدود مقدار فرایند تا ۴ حد، روی یک مقدار اندازه گیری (خیلی کم، کم، زیاد، خیلی زیاد)[۱۶]

۷-تصحیح اندازه گیری وبی سیالوت[۱۷] و سطح[۱۸] (مانند جذرگیری…)

۸-فیلتر کردن مقدرا اندازه گیری با خاصیت حذف اغتشاش ولتاژ برای فرکانس ۵۰Hz و هارمونیکهای آن.

۹-به عنوان یک انتخاب، مدول های ورودی می توانند با فیلتر غیر خطی تطبیقی مجهز شوند که برای سیگنال های فرایند با اغتشاشات زیاد، بهبودی عالی در کیفیت تنظیم کننده ها بوجود آورد.

۱۰- فیلتر کردن به وسیله فیلتر درجه ۱ (تمامی این فیلترها به صورت نرم افزارای روی مدولها نصب می شوند)

ب: مدول ورودی دیجیتال

مدول های ورودی دیجیتال برای سوئیچ های دیجیتال با اتصال دو سیمه و برای سیگنال ۲۴ ولت مستقیم در دسترس هستند. این مدول ها دارای قابلیت ها و خواص زیر هستند:

–         منبع تغذیه برای اتصال کنتاکتها[۱۹]

–         فیلتر کردن ارتعاشات قطع و وصل شدن کنتاکت

–         نظارت بر قطع سیم ارتباط با کنتاکت

–         نظارت بر قطع شدن تغذیه

–         نظارت بر اتصال کوتاه به بدنه

–         صفر شدن خروجی وقتی ورودی دیجیتال اشکال داشته باشد.

–        
نظارت بر علامت انتقال وقتی که ورودی دیجیتال اشکال داشته باشد.

شکل ۶- ساختار و عملکرد مدول ورودی باتری

ج- مدول خروجی سیگنال آنالوگ

این مدول سیگنال موجود بر روی باس ایستگاه را به سیگنال لازم برای عملکرد روی رله ها و لامپها تولید می کند و خروجی آن  ۴۸- یا ۲۴+ است.

د- مدول خروجی دیجیتال

این مد.ل سیگنال موجود بر روی باس ایستگاه را به سیگنال لازم برای عملکرد روی رله ها و لامپها تولید می کند. و خروجی آن –۴۸ یا +۲۴ ولت است.

هـ- مدول کنترل آنالوگ و دیجیتال

کنترل دیجیتال و آنالوگ می تواند در هر کدام از سطوح سیستم (کنترل گروهی- کنترل محرک و سطح کنترل واحد) استفاده شود. به خاطر استفاده از طراحی براساس ریزپردازنده تعداد مدول های مورد استفاده به طور قابل توجهی کاهش یافته و تنها یک مدول پایه نیاز است. هر مدول به یک ریزپردازنده و سه حافظه مجهز است.

---