از کنترلر C300 تا ورودی‌وخروجی جهانی: سیستم اتوماسیون فرآیندی گسترده‌ی کارخانه‌ای Experion PKS شرکت Honeywell

کارخانه‌های صنعتی تحت فشار فزاینده‌ای برای افزایش انعطاف‌پذیری تولید در عین حفظ پایداری فرآیند ,ایمنی عملکردی و دسترس‌پذیری بلندمدت تجهیزات قرار دارند. با این حال، معماری‌های کنترلی سنتی اغلب کنترل‌کننده‌ها، سخت‌افزار ورودی/خروجی، ایستگاه‌های اپراتور و دستگاه‌های میدانی را به حوزه‌های مهندسی جداگانه تقسیم می‌کنند. این پراکندگی می‌تواند نیاز به کابینت‌های بیشتر را افزایش دهد، پیاده‌سازی را پیچیده‌تر کند راه‌اندازی و اعمال تغییرات آینده را گران‌تر سازد.

سیستم دانش فرآیندی Honeywell Experion، که معمولاً با نام Experion PKS شناخته می‌شود، این چالش‌ها را از طریق یک معماری سیستم کنترل توزیع‌شده‌ی یکپارچه برطرف می‌کند. هسته‌ی این پلتفرم، کنترلر Experion PKS C300 ، که استراتژی‌های کنترلی نظارتی، ترتیبی و پیشرفته را اجرا می‌کند. در رابط میدانی، سری C و فناوری‌های ورودی/خروجی جهانی سیگنال‌های فرآیندی را جمع‌آوری کرده و دستورات کنترلی را ارسال می‌کنند. ایستگاه‌های اپراتور، برنامه‌های مهندسی، عملکردهای مدیریت هشدار و اطلاعات دارایی‌ها در یک محیط عملیاتی واحد ادغام شده‌اند.

نتیجه، زنجیرهٔ خودکارسازی متصلی است که از ترانسمیترها، شیرها و تجهیزات محرک موتوری تا کنترلرها، نمایشگرهای اتاق کنترل و برنامه‌های سطح نیروگاه امتداد دارد. به جای در نظر گرفتن ورودی/خروجی، کنترل و تصویرسازی به عنوان اجزای جداگانه، سیستم اکسپریون پی‌کی‌اس آن‌ها را به‌عنوان لایه‌های هماهنگ‌شده‌ای از زیرساخت خودکارسازی فرآیندی در سطح کل نیروگاه سازمان‌دهی می‌کند.

این کنترلر C300 به‌عنوان اصلی‌ترین پلتفرم اجرای کنترل در معماری اکسپریون پی‌کی‌اس عمل می‌کند. این سیستم برای کاربردهایی طراحی شده که نیازمند کنترلی پایدار، قطعی و به‌صورت مداوم در دسترس هستند؛ از جمله تصفیه نفت، فرآورش پتروشیمی، تولید انرژی الکتریکی، صنایع داروسازی، خمیر و کاغذ، فلزات، تصفیه آب و سایر صنایع فرآیند-محور است.

کنترلر از محیط اجرای کنترل هوُنول (Honeywell) استفاده می‌کند محیط اجرای کنترل ، یا CEE . این محیط از توابع کنترلی مانند تنظیم PID، کنترل کاسکید، کنترل نسبتی، استراتژی‌های پیش‌خور، توالی‌دهی تجهیزات، قفل‌های ایمنی و منطق مرتبط با دسته‌های تولیدی پشتیبانی می‌کند. مهندسان می‌توانند این توابع را در قالب ماژول‌های کنترلی قابل استفاده مجدد ترکیب کنند تا توسعهٔ کاربردها را در واحدهای تولیدی استاندارد سازند.

برای فرآیندهای مداوم، C300 می‌تواند حلقه‌های فشار، دما، دبی و سطح را هماهنگ کند و در عین حال تعامل بین متغیرهای عملیاتی مرتبط را مدیریت نماید. در کاربردهای دسته‌ای، می‌تواند توالی‌ها، فازهای تجهیزات و منطق مجاز را اجرا کند تا تولید را به‌صورت ایمن از یک مرحله به مرحلهٔ بعد منتقل سازد. توانایی آن در مدیریت چندین رشتهٔ کنترلی، آن را برای استفاده در هر دو واحد فرآیندی جداگانه و معماری‌های گسترده‌تر سطح نیروگاه مناسب می‌سازد.

در دستگاه‌هایی که قطع کنترل‌کننده ممکن است منجر به اتلاف تولید یا شرایط ناایمن عملیاتی شود، در دسترس‌بودن اهمیت ویژه‌ای دارد. C300 پشتیبانی می‌کند پیکربندی‌های اضافی که در آن یک کنترل‌کنندهٔ ثانویه می‌تواند در صورت عدم دسترسی کنترل‌کنندهٔ اصلی، وظایف کنترلی را به عهده گیرد. مسیرهای شبکه‌ای پشتیبان، راه‌حل‌های تأمین برق و طراحی‌های ورودی/خروجی نیز می‌توانند با توجه به حساسیت فرآیند ادغام شوند.

قابلیت اتصال، نقش کنترل‌کننده را بیشتر گسترش می‌دهد. از طریق رابط‌های ارتباطی پشتیبانی‌شده، C300 می‌تواند اطلاعات را با ابزارهای هوشمند میدانی، درایوهای فرکانس متغیر، واحدهای بسته‌بندی‌شده و سیستم‌های شخص ثالث تبادل کند. به جای اینکه به عنوان یک پردازندهٔ مستقل عمل کند، به نقطه‌ای برای ادغام تبدیل می‌شود که داده‌های میدانی را به اقدامات کنترلی هماهنگ و اطلاعات عملیاتی تبدیل می‌کند.

هرچند کنترلر استراتژی اتوماسیون را اجرا می‌کند، اما اثربخشی سیستم همچنین به نحوهٔ اتصال سیگنال‌های میدانی نیز بستگی دارد. طراحی‌های سنتی ورودی/خروجی نیازمند انواع جداگانه‌ای از ماژول‌ها برای ورودی‌های آنالوگ، خروجی‌های آنالوگ، ورودی‌های دیجیتال و خروجی‌های دیجیتال هستند. بنابراین تعریف سیگنال‌ها باید در ابتدا نهایی شود تا بتوان کابینت‌ها، مجموعه‌های ترمینال و تعداد کانال‌ها را به درستی مشخص کرد.

تغییرات مهندسی دیرهنگام اغلب این رویکرد را مختل می‌کنند. بازتعریف یک ورودی دما به‌عنوان نوع سیگنالی دیگر، افزودن یک خروجی شیر یا جابه‌جایی یک ابزار ممکن است نیازمند سخت‌افزار متفاوت، بازطراحی سیم‌کشی و کار اضافی روی کابینت‌ها باشد. این تغییرات می‌توانند آزمون پذیرش کارخانه‌ای، برنامه‌های اجرایی و موجودی قطعات یدکی را تحت تأثیر قرار دهند.

HONEYWELL ورودی/خروجی جهانی (Universal I/O) برای کاهش این وابستگی بین نوع سیگنال و سخت‌افزار فیزیکی طراحی شده است. کانال‌های جداگانه را می‌توان بر اساس عملکرد مورد نیاز ورودی/خروجی پیکربندی کرد، به‌گونه‌ای که یک پلتفرم استاندارد بتواند سیگنال‌های مختلف میدانی را پشتیبانی کند. تیم‌های مهندسی می‌توانند عملکرد کانال‌ها را از طریق پیکربندی سیستم اختصاص دهند یا تغییر دهند، نه اینکه برای هر تغییر ماژول‌های مخصوص سنتی را جایگزین کنند.

این انعطاف‌پذیری به‌ویژه در پروژه‌های بزرگ مفید است که در آن‌ها طراحی فرآیند، انتخاب ابزارها و اطلاعات واحدهای بسته‌بندی‌شده تا زمان اجرای پروژه به‌طور مداوم در حال تکامل هستند. کابینت‌ها و مجموعه‌های ورودی/خروجی را می‌توان با استفاده از طراحی‌ای استانداردتر برنامه‌ریزی کرد، درحالی‌که اختصاص نهایی کانال‌ها نزدیک‌تر به زمان راه‌اندازی انجام می‌شود. این رویکرد از تغییرات طراحی در مرحلهٔ دیرهنگام بدون ایجاد تغییرات فیزیکی گسترده‌ای پشتیبانی می‌کند.

ورودی/خروجی جهانی (Universal I/O) همچنین می‌تواند تعداد انواع ماژول‌هایی که بخش‌های نگهداری باید در انبار داشته باشند را کاهش دهد. پلتفرم سخت‌افزاری مشترک‌تر، برنامه‌ریزی قطعات یدکی را ساده‌تر می‌کند و به تکنسین‌ها انعطاف‌پذیری بیشتری در جایگزینی یک کانال معیوب یا گسترش یک نصب‌ existing می‌دهد. برای کارخانه‌هایی که چندین واحد تولیدی را به‌صورت همزمان اداره می‌کنند، استانداردسازی می‌تواند سازگان‌مندی نگهداری را بهبود بخشد و خطر نگهداری قطعات یدکی منسوخ یا نامناسب را کاهش دهد.

چه موقع ورودی/خروجی جهانی (Universal I/O) در نزدیکی تجهیزات فرآیندی نصب می‌شود، بنابراین کابل‌کشی میدانی نیز می‌تواند کوتاه‌تر شود. ممکن است تعداد کمتری کابل چندهسته‌ای بین جعبه‌های اتصال میدانی و اتاق‌های کنترل متمرکز مورد نیاز باشد که این امر به کاهش نیروی کار نصب، کار ترمینال‌سازی و پیچیدگی عیب‌یابی کمک می‌کند.

ترکیب کنترلر C300، ورودی/خروجی انعطاف‌پذیر و محیط عملیاتی Experion بیش از مجموعه‌ای از محصولات سازگار را ایجاد می‌کند. این ترکیب زنجیره‌ای خودکارسازی مشترک را برقرار می‌سازد که در آن اندازه‌گیری‌های فرآیندی، محاسبات کنترلی، هشدارها، وضعیت تجهیزات و دستورات اپراتور در چارچوب سیستمی هماهنگ مدیریت می‌شوند.

در طول مهندسی، ماژول‌های کنترل و نمایشگرهای مرتبط با آن‌ها را می‌توان با استفاده از پایگاه‌های دادهٔ مشترک و قراردادهای نام‌گذاری توسعه داد. این امر ورود داده‌ها را تکراری کم می‌کند و به حفظ سازگان بین پیکربندی کنترلر و رابط انسان و ماشین کمک می‌کند. در زمان راه‌اندازی، تکنسین‌ها می‌توانند یک سیگنال را از نقطهٔ انتهایی آن در محل، از طریق کانال ورودی/خروجی و منطق کنترلی تا نمایشگر اپراتور ردیابی کنند؛ بنابراین بررسی حلقه‌ها و تشخیص خطا کارآمدتر می‌شود.

در حالت عملیاتی، ایستگاه‌های اکسپریون شرایط فرآیندی، هشدارها و وضعیت تجهیزات را به پرسنل اتاق کنترل ارائه می‌دهند. اطلاعات زمینه‌ای به اپراتورها کمک می‌کند تا نه‌تنها متوجه شوند که یک متغیر از محدودهٔ مورد انتظار خارج شده است، بلکه بدانند کدام واحد فرآیندی، حلقهٔ کنترلی یا دارایی مرتبط نیازمند توجه است. اصول یکنواخت نمایش و مدیریت هشدارها می‌توانند آگاهی موقعیتی را در هر دو حالت عادی تولید و رویدادهای غیرعادی پشتیبانی کنند.

این معماری همچنین پایه‌ای برای بهینه‌سازی نیروگاه فراهم می‌کند. داده‌های قابل اعتماد فرآیند می‌تواند به سیستم‌های تاریخچه‌نگار، کاربردهای کنترل پیشرفته، ابزارهای نظارت بر عملکرد و سیستم‌های مدیریت دارایی‌ها ارائه شود. تیم‌های نگهداری می‌توانند از اطلاعات تشخیصی برای شناسایی ابزارهای کاهش‌یافته یا مشکلات ارتباطی استفاده کنند، در حالی که تیم‌های تولید می‌توانند روندها و محدودیت‌های عملیاتی را تحلیل کنند.

برنامه‌ریزی دوره عمر نیز به همان اندازه مهم باقی می‌ماند. کنترل‌کننده‌ها، ماژول‌های ورودی/خروجی، مجموعه‌های ترمینال، منابع تغذیه و اجزای ارتباطی باید به‌عنوان بخشی از زنجیره کامل اتوماسیون مدیریت شوند. حفظ سوابق سازگاری، خط‌پایه‌های نرم‌افزاری، ماژول‌های یدکی آزموده‌شده و رویه‌های مستند‌شده تخلیه می‌تواند زمان بازیابی را کوتاه کند و خطرات عملیاتی ناشی از فرسودگی سخت‌افزار را کاهش دهد.

HONEYWELL Experion PKS ابزارهای میدانی، ورودی/خروجی جهانی (Universal I/O)، کنترلر C300 و کاربردهای اتاق کنترل را در یک معماری یکپارچه اتوماسیون فرآیند به هم متصل می‌کند. C300 تأمین‌کنندهٔ کنترل قطعی است عملکردی که توسط فرآیندهای صنعتی حیاتی مورد نیاز است، در حالی که ورودی/خروجی جهانی (Universal I/O) انعطاف‌پذیری لازم برای مدیریت نیازهای متغیر سیگنال و اجرای پروژه‌های ماژولار را فراهم می‌کند.