کاربرد تله متری و اسکادا در شبکه آبرسانی – بخش سوم: کاربرد RTU در تله متری

در این مقاله می‌خواهیم با کاربرد RTU در تله متری آشنا شویم از این رو در ابتدا کاربرد سیستم تله متری در شبکه آبرسانی را به اختصار توضیح می‌دهیم و سپس ویژگی ها و اجزای RTU ها را که یکی از تجهیزات سیستم تله متری (Telemetry) در شبکه آبرسانی هستند را شرح می‌دهیم با ما همراه باشید

اهداف سیستم تله متری در شبکه آبرسانی

امروزه از سیستم های تله متری در شبکه آبرسانی و صنعت آب و فاضلاب بسیار استفاده می‌گردد، در زیر برخی از اهداف سیستم تله متری شرح داده شده است:

• فراهم نمودن امکان بهره برداری طولانی مدت و قابل اعتماد هم چنین حصول اطمینال از تاسیسات و تمامی بخش های وابسته به آن از یک نقطه دور
• جمع آوری داده ها از نقطه ای دور توسط واسطه های ارتباطی توزیع شده در نقاط مختلف (PSTN / GSM / RS232C / RS422 / RS485 / فیبر نوری یا Optical Fiber) و برگرداندن آن به نقطه مرکزی (سیستم اسکادا)
• امکان آزمایش، راه اندازی، بهره برداری و برنامه نویسی از دوردست و پیکربندی مجدد و بدون نیاز به مراجعه به نقطه دوردست.

تجهیزات سیستم تله متری (Telemetry) در شبکه آبرسانی

تجهیزات سیستم تله متری (Telemetry) در شبکه آبرسانی بصورت کلی شامل موارد زیر می‌باشد:

• بخش اول- ترمینال از راه دور (RTU)
• بخش دوم- بخش مخابراتی سیستم تله متری

در این مقاله بخش اول یعنی ترمینال از راه دور RTU را بررسی می کنیم در مقاله ” تجهیزات مخابراتی در سیستم تله متری در شبکه آبرسانی” بخش دوم را شرح می‌دهیم.

بیشتر بخوانید: کاربرد تله متری و اسکادا در شبکه آبرسانی – بخش اول: اصول و مبانی

کاربرد RTU در تله متری

RTU ها تجهیزات شگفت‌انگیزی هستند که وظیفه‌ی نظارت و کنترل دقیق انواع دستگاه‌ها و سیستم‌ها را در محیط‌های صنعتی بر عهده دارند. شباهت‌هایی به سیستم‌های PLC دارند، اما قابلیت‌های منحصر به فرد و قدرتمندتری را ارائه می‌کنند. آر.تی.یو‌ها به مثابه کنترل‌کننده‌هایی هوشمند، نظارت دقیقی بر سایر تجهیزات اعمال می‌کنند و با هدایت و فرماندهی آنها، فرآیندهای صنعتی را به طور خودکار انجام می‌دهند. در زیر برخی از قابلیتها و ویژگی های RTU در تابلو تله متری را شرح می‌دهیم:

• بخش سخت افزاری RTU

RTU از فناوری چندین لایه ای جهت نصب سطحی ساخته می­ شود؛ PCB ها از جنس غیر هیدروسکوپی نظیر فایبرگلاس می­ باشند. PCB را می توان جهت حفاظت در مقابل شرایط محیطی خورنده به اختیار با ماده محافظ پوشش داد.

اجزای الکترونیکی RTUبه طور کامل درون محفظه خود تا  IP42 (درجه حفاظت IP) به عنوان حداقل سطح حفاظتی، پوشانیده می­ شوند تا حفاظت فیزیکی از آن ها به عمل آمده و  مراحل نصبشان نیز آسان شود.

طرح و جانمایی RTU، تمام اتصالات را برای ورودی های دیجیتالی (DI)، خروجی های دیجیتالی (DO)، ورودی های آنالوگ (AI)، خروجی های آنالوگ (AO) و اتصالات ارتباطی فراهم می­ کند. تمامی اتصالات از نوع اتصال و فیش هستند تا بتوان به سرعت و آسانی، اتصال را بدون نیاز به جدا کردن هیچ گونه سیمی قطع کرد. نحوه قرارگیری اتصال و فیش I/O برای اتصال سیم ها پیچی بوده و دسترسی مستقیم به بخش جلویی را برای ابزار آزمایش، امکان پذیر می­ سازد. ارتباطات با RTU و از آن توسط سیگنال های LED ها مشخص شده و بدین ترتیب انتقال ارتباطات معلوم خواهد گردید. وضعیت مناسب CPU نیز به وسیله LEDها نشان داده خواهد شد.

• شرایط محيطی RTU

RTU بدون نیاز به خنک شدن مداوم و قدرتمند با هوای محیط می‌توان در تابلو تله متری قرار داد آنها قادر به کارکردی پیوسته بوده و سیکل کاملی را برآورده می ­سازد. از آنجا که RTU ها می توانند به طور مداوم در سیستم های محافظت از خطوط لوله و یا در محیط های صعب العبور مستقر شوند؛ می توانند در شرایط سخت کار کنند و اقداماتی کم مصرف انجام دهند (مانند خاموش کردن ماژول های I/O در صورت عدم کاربری). در این نوع پیکره بندی ها قطعات، متحرک نیستند، از انرژی بسیار کم استفاده می کنند و حتی می توانند از انرژی خورشیدی نیز بهره ببرند.

• بـــرق مصرفی RTU

RTUبه طور کامل دارای حسگرهای تشخیص سطح، جریان و ولتاژ روی ترمینال های ورودی برق، بدون نیاز به تجهیزات خارجی و با استفاده از مدارهای ورودی خود می­ باشد. RTU از نوع تجهیزات با مصرف برق کم است به این معنی که به طور معمول کم تر از 1 آمپر برق مصرف کرده و می­ تواند برق پشتیبان و مستقل را از باتری با اسید دارای سرب و بدون نیاز به نگهداری بپذیرد.

به هنگام قطعی خطوط اصلی برق، باتری های پشتیبان به مدت حداقل 10ساعت می ­توانند برق سیستم را تامین نمایند. تامین برق برای سیستم چه به صورت AC و یا DC توسط RTU کنترل شده و با گزارشاتی که از طریق شبکه تله متری به سیستم اسکادا داده می شود، در دسترس قرار خواهد گرفت.

RTUسطوح ولتاژ باتری را به خصوص در زمان قطع خطوط اصلی برق تشخیص خواهد داد. هم چنین شرایط باتری را پس از تشخیص، گزارش خواهد کرد. در وضعیتی که از پیش برای تخلیه باتری تعیین شده، آن را خاموش و بدون نیاز به پر کردن یا راه اندازی مجدد به کار خواهد انداخت. RTU دارای تجهیزات حفاظت داخل در زمان ایجاد ایرادات در خطوط برق، نظیر پالس های ضربه ای و ناگهانی خط ولتاژ بالا و افزایش ناگهانی ولتاژ می ­باشد؛ بدون این که در عملکرد جاری سیستم تأثیری داشته باشد.

• سیستم پردازشگر (Processor) RTU

گروه پردازشگر RTU بر اساس ساختار پردازشگر 16 بیتی اینتل و یا ساختار برتر می­ باشد. ساختار CPUشامل Flashrom، RAM، NVRAM با کارکرد با باتری، هم چنین زیرسیستم های نگهدارنده زمان نیز با باتری کار خواهند کرد.

پردازشگر RTU قادر به پذیرش کامل و دانلود نمودن نرم افزارهای جدید و قابل اجرای لاجیک از هر یک از گره های (Node) روی شبکه کامپیوتر اسکادا که در ایستگاه اصلی قرار دارد، خواهد بود. بدون این که در توانایی RTU از نظر گزارش وقایع، تغییرات، عیوب و به طور کلی، ارتباطات بین RTU و اسکادا تغییری ایجاد کند. کنترل اجرای برنامه (های) لاجیک RTU از طریق اسکادا امکان پذیر خواهد بود. RTU توانایی نگه داری بیش از یک برنامه لاجیک را به صورت قابل اجرا داشته و می تواند بین آن ها بر حسب درخواست تعویض (Switch) انجام دهد.

تمام حافظه شامل لاجیک اجرایی و قابل اجرا از نوع Flashrom خواهد بود. پردازشگر، حافظه و واسطه های ارتباطی (که مغز و هسته بخش هوشمند را تشکیل می دهند) روی PCB به صورت مجزا نصب شده ­اند و به این ترتیب، هسته RTU را از هریک از تابلوها و اجزای I/O جدا می ­سازند.

• حافظه RTU

ظرفیت RAM و ROM در حدی است که تمامی الزامات RTU را برآورده کرده و می ­توانند کل سیستم بهره برداری را پشتیبانی کنند. به روز کردن (Upgrade) هر یک از کدها یا لاجیک، قابلیت دانلود شدن را هم به طریق محلی و هم از دوردست خواهد داشت.

•  واسطه های ارتباط فيزيکی RTU

RTU واسطه های ارتباطی گوناگونی در بر دارد. فهرست زیر، حداقل الزامات استاندارد موجود را نشان می دهد:

• 4 پورت سریال فیزیکی برای RS232، RS422، RS485
• پورت و یا پورت های اترنت تکی و یا دوتایی 100/10
• مودم ساخته شده بر اساس فناوری FSK/Landline

RTU هم چنین از وسایل ارتباطی ذیل استفاده خواهد برد:

• PSTN
• خط استیجاری
• GSM
• GPRS
• فیبر نوری
• رادیوی دیجیتالی و ماهواره

بیشتر بخوانید: درباره انواع دکل مخابراتی چه می دانید؟

• ورودی های ديجيتال

هر ورودی دیجیتال عبارت است از باز و بسته شدن یک کنتاکت عاری از ولتاژ و بدون اتصال به زمین در دوردست. نشانه گر LED روی هر کانال، استاندارد بوده و به طور مشخص وضعیت هر ورودی را نشان دهد. LED، وضعیت لاجیک مدار ورودی را بعد از ایزولاتور نوری نمایش خواهد داد. تجهیزاتی که با نشانه گر، قبل از ایزولاتور نوری قرار می گیرند، در نظر گرفته نمی شوند.

هر مدار ورودی دارای یک زمان سنج ضد پرش (De-Bounce) قابل تنظیم، قابلیت وارون سازی وضعیت لاجیک و پالس شمار با حداقل فرکانس Hz 40 خواهد بود. حداقل 25% تمام ورودی های دیجیتال نصب شده باید قابلیت کارکرد با فرکانس سرعت بالا و پالس شماری kHz 1 و یا بالاتر را داشته باشند.

•  خروجی های ديجیتال

هر خروجی، شامل رله با کنتاکت عاری از ولتاژ بوده و خروجی های باز و بسته (NO و NC) را که به طور هم زمان می توانند از طریق یک ترمینال مشترک تغذیه مورد استفاده واقع شوند، فراهم می نماید.

نشانه گر LED روی هر کانال باید استاندارد بوده و به طور مشخص، وضعیت هر خروجی را نشان دهد. LED، وضعیت لاجیک مدار خروجی و وضعیت واقعی کنتاکت خروجی را اعلام خواهد کرد. علاوه بر این وضعیت کنتاکت خروجی از طریق جداول مشخصات DNP3 RTU I/O به عنوان شرایط واقعی خروجی (و نه وضعیت مدار راه انداز رله) برای سیستم اسکادا قابل دسترس خواهد بود.

• ورودی های آنالوگ

حداقـــل محدوده ورودی کــه هر مدار فراهم خواهد کرد عبارت هستند از 0-5، 1-5، 0-10 ولت، 0-20 و mA 4-20 که بر پایه هر مدار، قابل انتخاب است. کارکرد هر مدار ورودی آنالوگ به صورت تک قطبی و با مصونیت در برابر نویز در هر دو مود مشترک و مود سری می باشد. هر مدار هم چنین باید ایزولاسیون الکتریکی حداکثر 500 V بین مدارهای مجاور و حداکثر 1000 V نسبت به پورت های داده های RTU I/O با استفاده از ایزولاسیون نوری فراهم نموده و مطابق استاندارد بین المللی IEC60870 باشد.

• خروجی های آنالوگ

هر مدار باید حداقل محدوده 0-mA 20 و 4-20 mA را که روی هر مدار قابل انتخاب می باشد، فراهم نماید. هم چنین باید بارهای 600 ohm و 1200 ohm را راه اندازی کند (حداکثر بستگی به انتخاب تغذیه حلقوی دارد). هر مدار خروجی آنالوگ، هم قطب بوده و ایزولاسیون الکتریکی 500 V بین مدارهای مجاور و 500 VAC نسبت به پورت های داده های RTU I/O با استفاده از ایزولاسیون نوری فراهم نموده و باید مطابق استاندارد بین المللی IEC60870 باشد. علاوه بر این مدار باید قابلیت قرارگیری در شرایط مدار کوتاه برای دوره زمانی نامحدود را دارا باشد.لازم به ذکر است که بهتر است RTUها به همراه تمام بخش های آن در یک تابلو تله متری که متناسب با محل نصب آن تجهیزات است قرار داده شود. تابلو تله متری می‌تواند متناسب با محیط بسته مانند داخل ساختمان طراحی شود یا متناسب با محیط خارج ساختمان و بصورت نوع بارانی طراحی و ساخته شود.

•  عیب یابی RTU

RTU مجهز به امکانات تکمیلی و گسترده عیب یابی آنلاین چه به طور محلی و چه از دوردست بوده، سیستم پیغام تشخیص عیوب داشته و پیغام های تشخیص عیوب را فیلتر می­ نماید.

حداقل امکانات تشخیص عیوب و وضعیت مورد نیاز، پوشش دهنده موارد ذیل است:

• تشخیص عیوب و وضعیت سیستم RTU
• تشخیص عیوب و وضعیت ارتباطات PLC و تجهیزات جانبی
• تشخیص عیوب و وضعیت برنامه کنترل (PLC)
• تشخیص عیوب و وضعیت DNP3 در هر لایه پروتکل شامل ردیابی شبکه
• تشخیص عیوب و وضعیت TCP/IP

تسهیلات کنترلی مانیتورینگ آنلاین، برنامه در حال کار PLC را و نیز غلط گیری لاجیک برنامه را انجام می ­دهـــد.

فرق rtu و plc

فرق RTU و PLC از لحاظ عملکرد آن است که PLCبر کنترل تمرکز دارد. PLC ها سیگنال های ورودی را از سنسورها و ماشین ها می‌خوانند و سپس یک برنامه از پیش تعریف شده توسط کاربر را برای کنترل خروجی‌هایی مانند شیرها، موتورها و آلارم ها اجرا می‌کنند. آنها برای منطق پیچیده و تصمیم گیری سریع در یک منطقه محلی ایده آل هستند. اما RTU (واحد پایانه راه دور) در جمع آوری و نظارت داده ها تخصص دارد. RTU ها داده ها را از سنسورها (سنسور دیجیتال و آنالوگ) و تجهیزات از راه دور جمع آوری کرده و سپس آنها را برای پردازش و تجسم به یک مکان مرکزی منتقل می کنند. آنها در محیط های خشن و مکان های دورافتاده که کارایی ارتباط در اولویت است، برتری دارند. در ادامه برخی از نکات کلیدی در فرق RTU و PLC بیان میشود:

• توان پردازش: PLC ها به طور کلی قدرت پردازش بیشتری برای الگوریتم های کنترلی پیچیده در مقایسه با RTU ها که اولویت آنها جمع آوری داده و کارایی ارتباط است، دارند.
• برنامه نویسی: برنامه نویسی PLC اغلب شامل زبان های تخصصی مانند منطق نردبانی است، در حالی که پیکربندی RTU تمایل به ساده تر بودن دارد و ممکن است شامل رابط های وب باشد.
• ارتباط: PLC ها برای ارتباط با سرعت بالا در یک شبکه محلی مناسب هستند، در حالی که RTU ها برای انتقال قابل اعتماد داده در مسافت های طولانی با استفاده از پروتکل هایی مانند DNP3 یا IEC 60870-5 بهینه شده اند.
• دوام: RTU ها به طور معمول برای محیط های خشن تر طراحی شده اند و محدوده دمای عملیاتی گسترده تری نسبت به PLC ها دارند.
• ورودی/خروجی: RTU ها ممکن است تعداد بیشتری از نقاط ورودی/خروجی برای جمع آوری داده داشته باشند، در حالی که PLC ها ممکن است ترکیبی متعادل تر برای اهداف کنترلی داشته باشند.

 

سیستم RTU قادر است که آلارم های زیر را ایجاد نماید:

• آلارم وضعیت: هر تغییر در وضعیت و یا هر وضعیت مشتق شده، واقعه ای را به وجود خواهد آورد که در صورت پیکربندی به آن صورت، به عنوان یک آلارم باید گزارش شود.
• آلارم آنالوگ: هر آنالوگ باید حداقل دارای چهار حد و آستانه باشد. اگر آنالوگ و یا ارزش مشتق شده از یکی از این حدود عبور کند واقعه ای ایجاد خواهد شد که به عنوان یک آلارم گزارش می شود. هر عبور از حدی که انجام شود باید به صورت آلارمی جداگانه ای گزارش شود (به عنوان مثال: کم – کم، کم – زیاد، زیاد – زیاد). علاوه بر این هر آنالوگ باید دارای ناحیه مرده (Dead Band) و میزان تنظیمات تغییرات باشد.

 

شکل (1). نمونه ای از طراحی سیستم تله متری (Telemetry System) در شبکه آبرسانی

 

سخن پایانی

در این مقاله درباره ویژگی‌ها و کاربرد RTU در تله متری صحبت کردم و سعی کردیم برخی از مهمترین ویژگی های RTU را توضیح دهیم. همان طور که میدانید RTU بخشی از تجهیزات سیستم تله متری (Telemetry) در شبکه آبرسانی و صنعت آب و فاضلاب است. شرکت نیکسا با سابقه  اجرای چندین پروژه تله متری و اسکادا و ساخت تابلو تله متری در شبکه آبرسانی و صنعت آب و فاضلاب آماده ارائه مشاوره و طراحی و پیاده سازی تله متری برای پروژه های شماست. در صورت طراحی و اجرای سیستم های تله متری و اسکادا یا طراحی و اجرای تله متری آب و فاضلاب با شرکت نیکسا، مجری پروژه های برق، کنترل و ابزار دقیق تماس بگیرید.