سنسورها و عملگر ها چگونه در سیستم‌ های RTU و SCADA عمل می‌ کنند؟

کنترلرها در RTUها

RTU‌هاRemote Terminal Unitواحدهای پایانه از راه دور در حال حاضر از کامپیوترهای کوچک ساخته می‌شوند. مدت کوتاهی پس از شروع این کار، الگوریتم های کنترلری در RTU برنامه‌نویسی شدند. جمع کننده‌های جریان، ماشین حساب ضریب توان و حل کننده‌های منطقی خیلی زود به این سیستم‌ها اضافه شدند.

هر تابعی را که بتوان با یک فرمول ریاضی یا الگوریتم توصیف کرد می‌توان آن را توسط یک کامپیوتر درون یک RTU به قدرتمند حل کرد. سیگنال‌ها از دستگاه‌های حسگر جمع‌آوری می‌شوند.

الگوریتم‌ها از پیش حل شده‌اند و دستورالعمل‌های کنترل به ولوها یا سایر عملگرهای کنترلی ارسال می‌شوند. این رویداد بسیار سریع، به ترتیب و نظم خاص و در میلی‌ثانیه یا کمتر اتفاق می‌افتد و در نهایت RTU همه چیز را مجددا از نو انجام می‌دهد. دوره‌های اسکن در RTUها بسیار کوتاه هستند.

برخی از عملکردهای مرتبط با ایمنی همچون تشخیص آتش یا دود و غلظت گاز سمی، در سخت افزارهایی اختصاصی تعبیه شده‌اند. تعبیه این سخت‌افزارها به این دلیل نیست که الگوریتم‌های فنی به صورتی دشوار پیاده‌سازی می‌شوند بلکه به این دلیل است که سازمان‌های نظارتی که این دستگاه‌ها را تایید می‌کنند از سازندگان می‌خواهند که دستگاه‌ها از این نظر مستقل باشند.

این مقاله روی برخی از ملاحظاتی تمرکز کرده است که هنگام استفاده از سنسورها و عملگرها باید آن‌ها را در نظر داشته باشید. این ملاحظات به همان صورت در سیستم‌های SCADA می‌باشد و تفاوتی نخواهند داشت.

این سیستم (اسکادا) مبتنی بر کامپیوتر است که به منظور جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها در زمان حقیقی برای نظارت و کنترل تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. خرید و نگهداری سنسورها و عملگرهای SCADA گران است و این حقیقتی می‌باشد که هنگام برآورد هزینه نصب تاسیسات SCADA باید در نظر گرفته شود.

پیش از حل الگوریتم کنترلی، اطلاعات جمع آوری شده توسط سنسور باید به عنوان ورودی به کنترلر یا RTU تحویل داده شود. برخی از ارتباطات باید بین سنسور و RTU انجام گیرد.آنگاه پس از حل الگوریتم، باید ارتباطی میان RTU و عملگر صورت پذیرد.

آنالوگ به دیجیتال

فرمت تمام داده‌های منتقل شده بین MTUMain Terminal Unitواحد ترمینال اصلی و RTUها، داده‌های باینری هستند. داده‌های دودویی در این فرمت وجود دارد که ممکن است به عنوان وضعیت یک سوئیچ برای فهمیدن روشن یا خاموش بودن آن در نظر گرفته شوند. شکل 1 خروجی یک limit switch را نشان می‌دهد که برای نشان دادن وضعیت یک ولو استفاده می‌شود.

در شکل 1(a)، ولو باز است و خروجی سوئیچ روی 5 ولت DC ثابت است. در شکل 1(b)، ولو بسته است و خروجی سوئیچ روی 0 ولت DC ثابت است.

توجه داشته باشید که در هر زمانی که ولو کاملا باز نشده است خروجی سوئیچ 0 ولت است. از این ویژگی می‌توان به عنوان یک مزیت استفاده کرد. در قسمت پایین شکل 1، خروجی سوئیچ را برای یک ولو باز، بسته و سپس باز را نشان می‌دهد.

 

شکل 2 نحوه تغییر خروجی سوئیچ به بیت را نشان می‌دهد.

یک RegisterRegisterثبات یا رجیستر شکلی از حافظه است که از فلیپ فلاپ تشکیل شده است و از آنها برای دخیره هر تک کلمه باینری استفاده می‌کنند تک بیتی یا فلیپ فلاپFlip-flopفلیپ فلاپ ابزار ذخیره سازی داده است که تنها یک بیت را در خود ذخیره می‌کند. این مورد در شکل 2 (a) نشان داده شده است. خروجی سوئیچ ولو به ورودی فعال رجیستر داده می‌شود و سیگنال خروجی باینری از آن خارج می‌شود.

دنباله پیوسته‌ای از پالس‌ها که ClockClockموج ساعت یا کلاک که به صورت موجی مربعی می‌باشد نامیده می‌شوند، در ورودی دیگری از رجیستر تغذیه می‌شوند.

شکل 2 (b) زمان‌بندی منطقی را نشان می‌دهد. اندکی قبل از زمان 1، ولو باز می‌شود و خروجی سوئیچ از 0 ولت به 5+ ولت تغییر می‌کند. در زمان 1، پالس ساعت مثبت می‌شود (از 0 ولت تا 5+ ولت) و این موضوع، در ترکیب با 5+ ولتی که از قبل در ورودی فعال رجیستر تغذیه شده، باعث می‌شود که رجیستر مقدار 1 را در خروجی نشان دهد (خط پایین شکل 2 (b) را ببینید).

ولو برای چندین دوره کلاک باز می‌ماند و بعد از زمان 3 بسته می‌شود. در این حالت، سیگنال فعال سازی به 0 ولت تغییر پیدا می‌کند، اما این موضوع خروجیِ رجیستر را تغییر نمی‌دهد. هنگامی که کلاک در زمان 4 مثبت می‌شود، آنگاه خروجی رجیستر به 0 تغییر پیدا می‌کند.

هنگامی که ولو به حالت کاملا باز خود می‌رسد، خروجی فرستنده، 5.000+ ولت خواهد بود.

هنگامی که ولو به طور کامل بسته شود، خروجی 0.000 ولت خواهد شد. همانطور که در شکل 2 بالا نشان داده شده است، مقدار خروجی بین 0 تا 5 ولت می‌باشد. حال فرض را بر آن میگیریم که ولتاژ روی 3.000+ ولت تنظیم شده باشد.

سیگنال آنالوگ 3.000 ولت به جای اینکه مستقیما به رجیستر وارد شود، ابتدا به مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) که در شکل 4 نشان داده شده است، ارسال می‌شود که مبدل آن را به یک سری از رقم‌های باینری تبدیل می‌کند و این بیت‌ها را در یک رجیستر ذخیره می‌کند. معمولا 8 تا 16 بیت در این نوع رجیستر وجود دارد اما برای سادگی تنها چهار بیت در این مثال استفاده می‌شود.

بزرگترین بیت معمولا مهمترین بیت یا MSB (با ارزش‌ترین بیت) نامیده می‌شود. کوچکترین بیت کمترین بیت یا LSB (کم ارزش‌ترین بیت) نامیده می شود.

این سیستم چگونه کار می‌کند؟

با شروع از بالا سمت چپ شکل 4، سیگنال 3.000 ولت به اولین مرحله تبدیل سیگنال ADC ارسال می‌شود. مبدل سعی می‌کند 2.500 ولت از آن کم کند. بنابراین سیگنال 5 ولت را به ورودی فعال 2.500 ولت بیتِ (MSB) از رجیستر خروجی می‌دهد. پالس بعدی در کلاک MSB، رجیستر را مجبور به داشتن خروجی 1 می‌کند.

مابقی (3.000 – 2.500 = 0.500 volts) به مرحله دوم ارسال می‌شود. مبدل سعی می‌کند 1.250 ولت از آن کم کند. اما نمی‌تواند این کار را انجام دهد چرا که 0.500 کوچکتر از 1.250 است. بنابراین یک سیگنال 0 ولت خروجی به ورودی، برای فعال کردن 1.250 ولت بیتِ رجیستر ارسال می‌کند.

مابقی (هنوز 0.500 ولت باقی مانده است) به مرحله سوم ارسال می‌شود. مبدل سعی می‌کند 0.625 ولت از آن کم کند. نمی‌تواند این کار را انجام دهد چرا که 0.500 کوچکتر از 0.625 است. بنابراین یک سیگنال 0 ولت به ورودی، برای فعال کردن 0.625 ولت بیتِ رجیستر ارسال می‌کند. پالس ساعت بعدی بیت رجیستر را 0 می‌کند.

مابقی (هنوز 0.500 دیگر ولت باقی مانده است) به مرحله چهارم فرستاده می‌شود. مبدل سعی می‌کند 0.3125 ولت از آن کم کند. می‌تواند این کار را انجام دهد، بنابراین یک سیگنال 5 ولت را برای فعال کردن ورودی LSB رجیستر منتقل می‌کند. پس از این مراحل، پالس ساعت بعدی بیت رجیستر را 1 می‌کند.

نتیجه، یک کاراکتر دودویی چهار بیتی است که مقدار 3.000 ولت را به شرح زیر توصیف می‌کند:

از آنجا که یک رجیستر چهار بیتی دقت 1 در 24 یا 1 در 16 را ارائه می‌دهد، بنابراین مجاز خواهیم بود مقدار را به 3.000 ولت برسانیم. در برخی از کاربردها، سیگنال از مثبت به منفی تغییر می‌کند. به همین خاطر باید از یک بیت اضافی استفاده شود چرا که بیت‌های اضافی دقت بیشتری را ارائه می‌دهند.

مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC)، دستگاه‌هایی هستند که سیگنال دیجیتال را گرفته و آن را به مقدار آنالوگ تبدیل می‌کنند. شکل 5 نحوه انجام این کار را نشان می‌دهد.

با استفاده از مقدار دیجیتالی که توسط ADC در شکل 4 تعیین شده است، بیشترین بیت را در پورت فعال سازی فلیپ فلاپ بالا وارد می‌کنیم. هنگامی که پالس ساعت باعث فعال شدن هر یک از این فلیپ فلاپ‌ها می‌شود، 5 ولت در خروجی هر فلیپ فلاپ معادل ظاهر شدن 1 در ورودی است.

0 ولت در خروجی هر فلیپ فلاپ معادل این است که 0 ولت در ورودی ظاهر ‌شده است. کلیدهای ولتاژ، هر کدام دو ورودی دارند. که یکی که اجازه عبور ولتاژ از سوئیچ را می‌دهد و دیگری این مسیر عبور را مسدود می‌کند.

ورودی دیگر، سیگنال سوئیچینگ (سیگنال تغییر وضعیت) است. اگر 5 ولت باشد، ولتاژ دقیق از آن عبور می کند. اگر 0 ولت باشد، ولتاژ دقیق از آن عبور نمی‌کند.

ولتاژ دوم دقیقا نصف ولتاژ اول است و بلوک جمع کننده در سمت راست، هر یک از ورودی‌های خود را جمع می‌زند و سپس نتیجه‌ای را که مجموع ورودی‌ها است در خروجی ارائه می‌دهد. در این حالت خروجی 2.500 ولت به اضافه 0.3125 ولت، خروجی 2.8125 ولت را نشان می‌دهد.