PLC زیمنس در پروژه های آب و فاضلاب نقش ویژه ای دارد، مدیریت منابع آب و تصفیه فاضلاب فرآیندهایی پیچیده و چند مرحله ای هستند که در بطن خود، مجموعه ای از فرآیندهای شیمیایی، بیولوژیکی و فیزیکی را جای داده اند. پایداری عملیاتی، دقت در دوزدهی مواد شیمیایی و کنترل دقیق فرآیندهای مهم مانند هوادهی (Aeration) نیازمند یک ستون فقرات کنترلی است که بتواند در محیط های خشن و مرطوب صنعتی، با حداکثر ضریب اطمینان کار کند.
PLC زیمنس در پروژه های آب و فاضلاب؛ تجربه های عملی
PLC های سری SIMATIC زیمنس، به دلیل سابقه درخشان در قابلیت اطمینان، ماژولار بودن گسترده و توانایی پشتیبانی از سیستم های افزونه (Redundancy)، به انتخابی استاندارد برای این زیرساخت های مهم تبدیل شده اند. هدف این مقاله، بررسی عمیق چگونگی به کارگیری این کنترلرها در بخش های مختلف یک تصفیه خانه و ایستگاه های پمپاژ است.
کدام پی ال سی های زیمنس در پروژه های آب و فاضلاب نقش دارند؟
در پروژه های صنعتی زیمنس (کارخانه ها، ماشین سازی، اتوماسیون خطوط تولید، انرژی، Oil & Gas سبک)، تمرکز روی سرعت، دقت، ارتباطات صنعتی و Diagnostics است:
SIMATIC S7‑1200
- کاربرد: پروژه های کوچک تا متوسط
- موارد استفاده:
- ماشین آلات مستقل
- پکیج های کنترلی
- ایستگاه های محلی (Local Control)
- مزایا:
- اقتصادی
- Profinet داخلی
- برنامه نویسی ساده در TIA Portal
SIMATIC S7‑1500 (استاندارد اصلی زیمنس)
- کاربرد: پروژه های متوسط تا بزرگ
- موارد استفاده:
- خطوط تولید
- کارخانه های هوشمند
- پروژه های Industry 4.0
- مزایا:
- سرعت پردازش بسیار بالا
- Web Server و Diagnostics پیشرفته
- Security داخلی
- Scalability عالی
ET 200SP CPU
- کاربرد: اتوماسیون توزیع شده (Distributed Automation)
- موارد استفاده:
- تابلوهای فشرده
- ایستگاه های Remote
- مزایا:
- ابعاد کوچک
- انعطاف بالا
- یکپارچگی عالی با S7‑1500
Safety PLC (CPU‑F)
- کاربرد: پروژه های ایمنی
- موارد استفاده:
- E‑Stop
- Safety Door
- SIL / PL Systems
- نمونه ها:
- CPU 1516F
- CPU 1214FC
PLCهای زیمنس در پروژه های آب و فاضلاب (Water & Wastewater)
پروژه های آب و فاضلاب ویژگی های خاصی دارند:
- کارکرد 24/7
- محیط خشن (رطوبت، نویز، فاصله زیاد)
- نیاز به Reliability، Redundancy و Remote Monitoring
SIMATIC S7‑300 (هنوز بسیار رایج)
- کاربرد: پروژه های قدیمی و در حال بهره برداری
- موارد استفاده:
- تصفیه خانه ها
- ایستگاه های پمپاژ
- دلیل محبوبیت:
- پایداری اثبات شده
- نیروی انسانی آشنا
- نکته: در پروژه های جدید در حال جایگزینی با S7‑1500
SIMATIC S7‑1500 (انتخاب اصلی پروژه های جدید آبفا)
- کاربرد: پروژه های جدید و ارتقاءیافته
- موارد استفاده:
- تصفیه خانه های آب و فاضلاب
- ایستگاه های پمپاژ مرکزی
- سیستم های SCADA محور
- مزایا:
- Diagnostics قوی برای بهره برداری
- ارتباط عالی با WinCC
- قابلیت Redundancy (H‑CPU)
SIMATIC S7‑400 / S7‑400H
- کاربرد: پروژه های بسیار بزرگ و مهم
- موارد استفاده:
- تصفیه خانه های کلان شهری
- پروژه های ملی
- ویژگی کلیدی:
- Redundant CPU (High Availability)
- مناسب Process Industry
- وضعیت: Legacy ولی هنوز بسیار فعال دران شهری
- پروژه های ملی
- ویژگی کلیدی:
- Redundant CPU (High Availability)
- مناسب Process Industry
- وضعیت: Legacy ولی هنوز بسیار فعال در آبفا
ET 200 + CPU / Remote I/O
- کاربرد: ایستگاه های پراکنده
- موارد استفاده:
- چاه ها
- بوستر پمپ ها
- ایستگاه های راه دور
- مزایا آبفا
ET 200 + CPU / Remote I/O
- کاربرد: ایستگاه های پراکنده
- موارد استفاده:
- چاه ها
- بوستر پمپ ها
- ایستگاه های راه دور
- مزایا:
- کاهش کابل کشی
- اتصال از طریق Profinet / Profibus / GPRS / Fiber
چالش محیط عملیاتی و ضرورت انتخاب سخت افزار مقاوم
تجربه نشان داده است که مهم ترین تمایز پروژه های آب و فاضلاب، نه در پیچیدگی منطق برنامه، بلکه در شرایط سخت افزاری و محیطی آن ها نهفته است. رطوبت بالا، احتمال حضور گازهای خورنده مانند سولفید هیدروژن در تصفیه خانه های فاضلاب، تغییرات شدید دما و نیاز به پوشش گسترده جغرافیایی برای ایستگاه های پمپاژ، همگی فشار مضاعفی بر تجهیزات اتوماسیون وارد می کنند.
به همین دلیل، انتخاب PLC زیمنس با ماژول های دارای پوشش محافظ (Conformal Coating) برای مقاومت در برابر محیط های مرطوب و خورنده، یک خرید لوکس نیست، بلکه یک ضرورت مهندسی است تا عمر مفید سیستم حفظ شود. در این پروژه ها، حتی انتخاب نوع کارت های I/O هم تحت تأثیر شرایط محیطی قرار می گیرد؛ به عنوان مثال، استفاده از ترانسمیترهای 4-20mA به جای 0-10V برای سیگنال های آنالوگ مهم (مانند pH و کدورت)، به دلیل مقاومت بیشتر در برابر نویزهای القایی در طول کابل های بلند، به یک استاندارد عملی تبدیل شده است.
کنترل ایستگاه های پمپاژ (Pump Stations)؛ توزیع هوشمند کنترل
ایستگاه های پمپاژ قلب شبکه توزیع و جمع آوری آب و فاضلاب هستند. این ایستگاه ها اغلب در فواصل طولانی و به صورت پراکنده (Distributed) قرار دارند و نیازمند یک راهکار کنترلی مقرون به صرفه، اما با قابلیت ارتباطی بالا هستند. در این موارد، سری SIMATIC S7-1200 زیمنس معمولاً به عنوان کنترلر اصلی (RTU) انتخاب می شود. این PLC ها وظیفه کنترل منطق پمپ ها (بر اساس سطح یا فشار)، زمان بندی چرخش پمپ ها (Pump Alternation) برای توزیع یکنواخت بار کاری و همچنین نظارت بر آلارم های مهم مانند فشار غیرعادی یا نشتی را بر عهده دارند.
مهم تر از منطق کنترلی محلی، نحوه انتقال داده ها به مرکز کنترل (SCADA) است. در مناطق روستایی یا دورافتاده، کارت های مخابراتی زیمنس که از طریق GSM/GPRS یا شبکه های رادیویی با مرکز ارتباط برقرار می کنند، مهم هستند. مهندسان باتجربه همواره بر این نکته تأکید دارند که پروتکل های ارتباطی باید قابلیت ارسال سریع آلارم ها و داده های مهم در زمان قطعی شبکه را داشته باشند.
این معماری توزیع شده به مرکز اجازه می دهد تنها با یک نگاه اجمالی به SCADA، از سلامت عملکرد تمامی ایستگاه های پمپاژ مطلع شود و برای پایداری درازمدت، انتخاب ماژول های ارتباطی با کیفیت و همچنین خود PLC از منابع قابل اعتمادی مانند زیمنس نوین فروشنده تضمین کننده این امر مهم است.
کنترل فرآیندهای تصفیه آب (WTP)؛ دقت در دوزدهی مواد شیمیایی
در تصفیه خانه های آب شرب، دقت در دوزدهی مواد شیمیایی (مانند کلر، پلیمرها و آهک) برای تضمین کیفیت آب و جلوگیری از آسیب به سلامت عمومی، از اهمیت مهم برخوردار است. این فرآیندها اغلب از طریق حلقه های کنترلی PID پیاده سازی می شوند که ورودی آن ها از سنسورهای تحلیلی (آنالایزرها) و خروجی آن ها از پمپ های دوزینگ (Dosing Pumps) یا شیرهای کنترلی دریافت می شود. PLC های سری S7-1500 به دلیل سرعت پردازش بالا و دقت زیاد در کنترل خروجی های آنالوگ، انتخاب ارجح برای این بخش ها هستند.
علاوه بر دوزدهی، کنترل فیلترها و چرخه شستشوی معکوس (Backwash) یکی از فرآیندهای اصلی و پیچیده در WTP است. این فرآیند شامل باز و بسته شدن دقیق و زمان بندی شده ده ها شیر موتوری، کنترل پمپ های با فشار بالا و اندازه گیری نرخ جریان در مراحل مختلف است. یک توالی خطا در فرآیند بک واش می تواند حجم زیادی از آب تصفیه شده را هدر دهد یا به مدیاهای فیلتر آسیب برساند. این منطق های توالی محور که نیازمند دقت در اجرای دستورالعمل های متوالی (Sequential Control) هستند، به طور مؤثری توسط برنامه های مبتنی بر Graph یا زبان های SFC (Sequential Function Chart) در TIA Portal پیاده سازی می شوند.
اتوماسیون تصفیه خانه های فاضلاب (WWTP)؛ مدیریت فرآیندهای بیولوژیکی و انرژی
تصفیه خانه های فاضلاب به لحاظ کنترلی، اغلب از WTPها پیچیده تر هستند، چرا که شامل فرآیندهای بیولوژیکی دینامیکی هستند که باید با دقت تنظیم شوند. مهم ترین قسمت در یک WWTP، بخش هوادهی (Aeration) است. میزان اکسیژن محلول (Dissolved Oxygen یا DO) در حوضچه های هوادهی باید در یک محدوده باریک کنترل شود. کمبود DO باعث فرآیند ناقص و کیفیت پایین پساب می شود، در حالی که مازاد DO به معنی هدر رفتن عظیم انرژی توسط بلوئرها است.
PLC زیمنس در اینجا وظیفه اجرای کنترل پیشرفته PID یا حتی کنترل فازی (Fuzzy Control) را بر عهده دارد تا شیرهای بلوئر یا سرعت اینورترهای آن ها را بر اساس قرائت های لحظه ای سنسورهای DO تنظیم کند. از آنجایی که سیستم های هوادهی بزرگ ترین مصرف کننده برق در یک تصفیه خانه هستند، بهینه سازی کنترل توسط PLC زیمنس به طور مستقیم بر هزینه های عملیاتی سالانه تأثیر می گذارد و این امر نیازمند یک CPU قدرتمند با قابلیت پردازش سریع حلقه کنترلی است که S7-1500 به خوبی از پس آن بر می آید.
معماری افزونه و پایداری شبکه در زیرساخت های مهم
برای ایستگاه های پمپاژ اصلی یا تصفیه خانه های بزرگ شهری، هرگز نباید یک نقطه شکست منفرد (Single Point of Failure) وجود داشته باشد. اینجاست که معماری های افزونه (Redundant) زیمنس وارد عمل می شوند. استفاده از CPUهای S7-400H یا S7-1500R/H که قادرند دو CPU را به صورت همزمان (Hot Standby) اجرا کنند و در صورت بروز خطا در یکی، بلافاصله کنترل را به CPU دیگر منتقل سازند، تضمین کننده عملکرد ۲۴ ساعته سیستم است.
از دیدگاه شبکه، پروتکل Profinet با توپولوژی حلقه (Ring Topology) و قابلیت افزونگی رسانه (Media Redundancy Protocol یا MRP) در این پروژه ها به شدت توصیه می شود. اگر در یک کابل فیبر نوری یا سوییچ شبکه در حلقه، قطعی رخ دهد، ارتباط از مسیر دیگر حفظ می شود و این به معنی پایداری ارتباط PLC مرکزی با ماژول های I/O توزیع شده در فواصل طولانی تصفیه خانه است. مهندسان اتوماسیون باید اطمینان حاصل کنند که تمامی دستگاه های متصل به شبکه (مانند سوییچ ها، اینورترها و Remote I/O) هم از این قابلیت افزونگی شبکه پشتیبانی کنند تا معماری کنترلی به صورت یکپارچه بدون وقفه باقی بماند.
مدیریت داده و گزارش دهی برای انطباق با استانداردها
PLC زیمنس فقط یک کنترلر برای اجرای دستورالعمل ها نیست؛ بلکه یک جمع آوری کننده داده های مهم است. در پروژه های آب و فاضلاب، انطباق با استانداردهای محیط زیستی و گزارش های مصرف انرژی ضروری است. PLC ها داده های تاریخی مانند میزان کلرزنی، سطح pH، نرخ جریان و میزان مصرف انرژی پمپ ها را جمع آوری می کنند.
این داده ها سپس به سیستم های SCADA یا MES منتقل می شوند تا گزارش های دقیق و دوره ای تولید گردد. در S7-1500، قابلیت های پیشرفته Data Logging و توانایی برقراری ارتباط با پایگاه های داده از طریق ماژول های ارتباطی صنعتی، این فرآیند را تسهیل می کند. توانایی زیمنس در یکپارچه سازی فرآیندهای میدانی با سطح مدیریت (Management Level) از طریق TIA Portal، یک مزیت عملیاتی بزرگ محسوب می شود، چرا که تصمیم گیری های مدیریت انرژی و مصرف مواد شیمیایی بر اساس داده های دقیق لحظه ای و تاریخی انجام می پذیرد.
در آخر…
استفاده از PLC زیمنس در صنعت آب و فاضلاب یک راهکار جامع است که فراتر از منطق ساده روشن/خاموش کردن پمپ ها عمل می کند. این کنترلرها با ارائه پلتفرمی برای کنترل دقیق فرآیندهای شیمیایی، مدیریت بهینه انرژی در هوادهی و ایجاد زیرساخت های افزونه برای جلوگیری از هرگونه وقفه، نقش محوری در تضمین عملکرد مداوم و پایدار زیرساخت های مهم جامعه ایفا می کنند.
به دلیل ماهیت این پروژه ها که کوچک ترین خرابی آن ها باعث خسارات مالی هنگفت یا تهدید سلامت عمومی می شود، اصالت، کیفیت و پشتیبانی فنی تجهیزات اهمیت مضاعفی پیدا می کند. انتخاب مدل مناسب، چه S7-1200 برای ایستگاه های دوردست و چه S7-1500R/H برای مرکز تصفیه خانه، مستقیماً به موفقیت پروژه وابسته است.