کنترل تجهیزات صنعتی از طریق شبکه LAN
تهیه و تدوین: بخش تحقیق و توسعهی شرکت بهین رایانه نقشینه
تاریخ انتشار:
مقدمه
مدیریت و پایش مداوم فرآیندها در لایههای مختلف اتوماسیون، نیازمند ارتباطی پایدار و بدون وقفه میان اتاق کنترل و تجهیزات میدانی است. روشهای سنتی مبتنی بر سیمکشیهای نقطه به نقطه و پروتکلهای سریال قدیمی، به دلیل محدودیت مسافت، پهنای باند کم و آسیبپذیری در برابر نویزهای الکترومغناطیسی، کارایی خود را در مقیاسهای بزرگ از دست دادهاند. استفاده از زیرساخت شبکه محلی (LAN) به عنوان شاهراه ارتباطی، بستری فراهم میکند تا دادههای کنترلی با سرعت بالا و ضریب اطمینان قابل قبول منتقل شوند. در این میان، پیادهسازی سختافزارهای واسط که بتوانند دستورات دیجیتال شبکه را به سیگنالهای الکتریکی قابل فهم برای عملگرها تبدیل کنند، اهمیت ویژهای دارد.
نقش رلهبردهای تحت شبکه در مدیریت بارهای الکتریکی
اصلیترین قطعه برای اجرای فرامین قطع و وصل در بستر شبکه، رلهبرد تحت شبکه است. این تجهیزات مجهز به پروتکل TCP/IP بوده و به طور مستقیم به سوئیچ یا روتر متصل میشوند. رلهبردهای صنعتی معمولاً دارای ورودیهای ایزوله و خروجیهای رله با توانهای مختلف هستند که امکان کنترل مستقیم موتورها، شیرهای برقی و سیستمهای روشنایی را میسر میکنند. تفاوت عمده این بردها با نمونههای ساده، وجود وبسرور داخلی یا پشتیبانی از API اختصاصی است که اجازه میدهد بدون نیاز به نرمافزار جانبی و تنها از طریق یک مرورگر وب یا ارسال پکتهای UDP/TCP، وضعیت خروجیها را تغییر داد.
لایه فیزیکی و معماری سختافزاری شبکه صنعتی
برای انتقال دستورات از طریق اترنت، ابتدا باید بستر سختافزاری مناسب در محیط کارگاهی فراهم شود. کابلهای شبکه مورد استفاده در صنایع برخلاف نمونههای اداری، در معرض نویز شدید ناشی از عملکرد موتورهای الکتریکی و درایوهای فرکانس متغیر هستند. به همین دلیل استفاده از کابلهای شیلددار و فویلدار مانند SFTP Cat6 همراه با کانکتورهای فلزی ارتشده برای تخلیه جریانهای القایی الزامی است. سوئیچهای شبکه به کار رفته در این معماری نیز باید از نوع صنعتی با قابلیت نصب روی ریل کابین و مقاوم در برابر دمای بالا و لرزش باشند. این تجهیزات وظیفه هدایت پکتهای داده را از لایه کنترل به سمت نودهای پایانی بر عهده دارند.
رلهبرد تحت شبکه؛ پل ارتباطی اترنت و محرکهای الکتریکی
رلهبرد تحت شبکه به عنوان یک گره یا نود مستقل در شبکه LAN تعریف میشود. وظیفه اصلی این برد، دریافت فرامین دیجیتال ارسال شده در قالب پکتهای شبکه و تبدیل آنها به تغییر وضعیت در کنتاکتهای رله است. رلههای تعبیهشده روی این بردها به عنوان سوئیچهای الکترومکانیکی عمل کرده و جریان الکتریکی مصرفکنندههای بزرگتری مانند شیرهای برقی، جکهای پنوماتیک، کنتاکتورها و سیستمهای اعلان خطر را قطع و وصل میکنند. طراحی این بردها به گونهای است که بخش کنترل اترنت به وسیله تراشههای اپتوکوپلر از بخش قدرت رلهها ایزوله میشود تا از انتقال نویز و ولتاژهای برگشتی به شبکه جلوگیری به عمل آید.
پروتکل Modbus TCP؛ استاندارد طلایی تبادل داده
پروتکل Modbus TCP متداولترین استاندارد برای تبادل پیام بین سیستمهای کنترل سرپرستی و گردآوری داده و رلهبردهای تحت شبکه است. این پروتکل، فریمهای استاندارد مودباس را درون یک هدر TCP/IP کپسولهسازی میکند. رلهبرد به عنوان یک سرور یا پاسخدهنده (Slave/Server) منتظر دریافت درخواست از سمت کلاینت (Master/Client) مانند یک کامپیوتر صنعتی یا PLC میماند. با ارسال کدهای دستوری خاص، رجیسترهای مربوطه در حافظه میکروکنترلر برد تغییر یافته و بلافاصله خروجی متناظر فعال یا غیرفعال میشود.
هماهنگی کامل سختافزار با سیستمهای هوشمند مانیتورینگ
یکی دیگر از مزایای این تجهیزات، امکان اتصال مستقیم آنها به سیستمهای نمایشگر مرکزی (HMI) و نرمافزارهای یکپارچه (مانند SCADA) است. از آنجا که این بردها از پروتکلهای استانداردی نظیر Modbus TCP پشتیبانی میکنند، فرآیند اتصال آنها به هر نوع نمایشگر صنعتی ساده و بدون دردسر است. تابلوساز یا مجری سیستم میتواند بدون نیاز به نوشتن کدهای پیچیده، وضعیت پمپها، دما، فشار یا جریان را به صورت لحظهای روی نمایشگرهای دیواری یا سیستمهای نظارتی کل کارخانه به تصویر بکشد.
بازخورد وضعیت خروجیها از طریق دستگاههای ورودی دیجیتال مجزا
در فرآیندهای صنعتی، کنترل خروجیها بدون دریافت بازخورد (فیدبک) از محیط عملیاتی کامل نیست. از آنجا که رلهبردهای تحت شبکه به عنوان ماژولهای تخصصی خروجی عمل میکنند، برای تکمیل سناریوهای کنترلی از دستگاههای ورودی دیجیتال تحت شبکه نیز استفاده میشود. این دستگاههای ورودی به سنسورها، لیمیتسوئیچها، بیممتالها یا شستیهای فرمان متصل شده و وضعیت آنها را به بستر شبکه LAN ارسال میکنند. ترکیب همزمان این دو گروه از تجهیزات به سیستم کنترل مرکزی اجازه میدهد تا به عنوان مثال، پس از ارسال فرمان روشن شدن به رلهبرد، وضعیت واقعی جریان یا فشار را از طریق دستگاه ورودی دیجیتال بررسی کرده و از صحت عملکرد تجهیزات اطمینان حاصل کند.
حذف محدودیتهای مسافت در کابلکشی فرمان
در سولههای صنعتی بزرگ یا مجتمعهای چندساختمانی، فرستادن فرمانهای برقی به فواصل دور همواره با افت ولتاژ شدید و تداخلات الکترومغناطیسی همراه است. بستر اترنت و شبکه LAN این محدودیت را به طور کامل از بین میبرد. با قرار دادن رلهبردهای تحت شبکه در هر سوله، دستورات از طریق کابلهای شبکه شیلددار یا فیبر نوری با سرعت نور و بدون هیچگونه افت کیفیت به مقصد میرسند. این رلهبردها به عنوان گیرندههای هوشمند محلی عمل کرده و فرمان نهایی را صادر میکنند.
کاربرد در مدیریت روشنایی و تهویه محیطهای وسیع
یکی از پرکاربردترین زمینههای استفاده از این بردها، کنترل روشنایی سولهها و سیستمهای تهویه مطبوع است. به جای نصب دهها کلید و شستی در نقاط مختلف، تمام فرامین به یک رلهبرد متمرکز در تابلو منتقل میشود. کاربر میتواند از طریق گوشی موبایل یا کامپیوتر، تمام چراغها را به صورت دستهای یا تکی مدیریت کند. امکان تعریف سناریوهای زمانی در برخی مدلها، باعث میشود که سیستم به طور خودکار در ساعات خاصی تغییر وضعیت دهد. این موضوع تاثیر چشمگیری در کاهش مصرف برق و طول عمر لامپها و الکتروموتورها دارد.
نتیجهگیری
استفاده از رلهبردهای تحت شبکه، دیگر یک انتخاب لوکس نیست، بلکه ضرورتی برای افزایش رقابتپذیری در بازار تابلوسازی است. این تجهیزات با حذف سیمکشیهای اضافی، افزایش سرعت نصب و ارائه امکانات مانیتورینگ پیشرفته، ارزش افزوده زیادی برای پروژهها ایجاد میکنند.
انتقال فرآیندهای کنترلی به بستر شبکه LAN با استفاده از رلهبردهای تحت شبکه، انعطافپذیری بینظیری در طراحی سیستمهای اتوماسیون صنعتی به همراه دارد. این معماری به دلیل کاهش حجم سیمکشی، عیبیابی سریعتر از طریق ابزارهای نرمافزاری و قابلیت توسعه آسان، جایگاهی محوری در صنایع نوین پیدا کرده است. همگرایی تکنولوژیهای شبکه با تجهیزات الکتریکی قدرت، مسیر را برای پیادهسازی نگهداری پیشگیرانه و ثبت دقیق دادههای عملکردی هموار ساخته و کارایی کلی خطوط تولید را به طور چشمگیری افزایش میدهد.