مقدمه
RTU یا واحد پایانه راه دور، یکی از مهمترین اجزای شبکههای صنعتی از جمله ایستگاههای گاز است. این واحد به عنوان مغز محلی سیستم، وظیفه جمعآوری داده از سنسورها، اجرای منطق کنترلی، ارتباط با تجهیزات میدانی، و انتقال داده به مرکز مانیتورینگ را بر عهده دارد. در این مقاله به بررسی دقیق عملکرد RTU، اجزای سختافزاری و نرمافزاری، قابلیتهای ضروری برای کاربرد در ایستگاههای گاز و الزامات طراحی آن میپردازیم.
[ez-toc]
خلاصه:
RTU چیست و چه کاربردی دارد؟
RTU (Remote Terminal Unit) یا بهعبارتی کنترلگر منطقی برنامهپذیر، تجهیزی است که در سایتهای صنعتی مانند ایستگاههای گاز نصب شده و با دریافت اطلاعات از سنسورهای مختلف، دادهها را پردازش کرده و به مرکز کنترل ارسال میکند.
کاربردها:
-
جمعآوری داده از سنسورهای فشار، دما، شیر، فلو، گاز و…
-
ارسال دستورات از مرکز کنترل به تجهیزات فیلد
-
ذخیرهسازی محلی دادهها و ارسال به سرور مرکزی
-
کنترل دربها و تجهیزات ایمنی با ماژول I/O ایزوله
-
اجرای منطق کنترلی بهصورت مستقل
ساختار ارتباطی RTU با تجهیزات
▪ اتصال فیزیکی:
-
ماژولهای توسعهای آنالوگ و دیجیتال برای ورودی/خروجی
-
بریر گالوانیک ایزوله برای مناطق خطر
-
ایزولاتور برای مناطق امن
▪ ارتباط شبکهای:
-
مودم/روتر برای ارتباط با مرکز از طریق:
-
شبکه رادیویی اختصاصی
-
شبکه سلولی (4G/5G)
-
کابل LAN یا فیبر نوری
-
▪ سنسورهای متصل:
-
فشار و دما (آنالوگ 4–20mA)
-
کنتور گاز، کروماتوگراف گاز
-
وضعیت شیر، درب، آلارمها
اجزای داخلی تابلو PLC/RTU
| بخش | توضیحات |
|---|---|
| منبع تغذیه | تأمین انرژی کل تابلو |
| واحد RTU | پردازشگر اصلی + ماژول I/O |
| بخش ایمنی | بریر ضد انفجار برای مناطق خطر |
| بخش تهویه | فن، هیتر، کولر، سنسور دما و رطوبت |
| بخش ارتباط | مودم/روتر برای ارسال داده |
نکته: طراحی تابلو RTU باید توسعهپذیر باشد تا در آینده قابلیت افزودن ماژولها را داشته باشد.
قابلیتهای ضروری یک RTU مناسب
| ردیف | قابلیت |
|---|---|
| 1 | جمعآوری، بررسی و ذخیرهسازی داده با برچسب زمانی |
| 2 | ذخیره در قالب بانک اطلاعاتی استاندارد |
| 3 | پشتیبانی از زبان برنامهنویسی PLC |
| 4 | پاسخگویی سریع برای مانیتورینگ وضعیت تجهیزات |
| 5 | ارسال دادههای بافرشده پس از وصل مجدد شبکه |
| 6 | حفظ اطلاعات پس از قطعی برق یا خاموشی |
| 7 | ارتباط با فلوکامپیوتر و تصحیحکنندهها از طریق RS485/RS232/اترنت |
| 8 | پیکربندی از طریق رابط وب امن یا نرمافزار تحت شبکه |
| 9 | بازیابی داده از تصحیحکننده پس از ارتباط مجدد |
| 10 | ارسال نوتیفیکیشنهای وضعیت داخلی و خارجی |
| 11 | رعایت کامل ملاحظات امنیت سایبری در طراحی سختافزار و نرمافزار |
| 12 | نداشتن وایفای داخلی برای حفظ امنیت و استفاده از مودم مجزا |
ماژولهای توسعهای I/O
برای ارتباط با تجهیزات بیرونی، RTU به ماژولهای توسعهای نیاز دارد که سیگنالها را ایزوله کنند.
انواع:
-
دیجیتال ایزوله: برای سیگنالهایی مانند باز/بسته بودن درب یا وضعیت آلارم
-
آنالوگ (4–20mA): برای سیگنالهای فشار، دما، جریان گاز
-
بریر گالوانیک ایزوله: برای تجهیزات در مناطق خطر
کنترلگر منطقی برنامه پذیر (PLC)/ واحد پایانه راه دور (RTU) (PLC/RTU)
PLC/RTU، پردازشگر قابل برنامه ریزی است که به منظور جمعآوری و پردازش اطلاعات در مکانهای مختلف از آن استفاده میشود. سپس اطلاعات به صورت یکجا به مرکز کنترل تعریفشده ارسال میگردد. همچنین RTU فرمانهایی را که از مرکز کنترل به ایستگاهها ارسال میشود را هم دستهبندی کرده و به مکان مورد نظر ارسال میکند. در شکل زیر طریقه اتصال PLC/RTU به دیگر تجهیزات نصب شده در فیلد نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشخص استPLC/RTU از طریق ماژولهای توسعه ای ورودی/خروجی از نوع آنالوگ/دیجیتال با تجهیزات فیلد در ارتباط است.
تجهیزاتی که در منطقه خطر هستند از طریق بریر ضد انفجار از نوع گالوانیک ایزوله به PLC/RTU متصل میشوند و تجهیزاتی که در منطقه امن هستند از طریق ایزولاتور به کارتهای ورودی/خروجی PLC/RTU متصل میشوند. در نهایت PLC/RTU از طریق مودم/روتر اطلاعات را برای ایستگاه مرکزی ارسال میکند.
سنسورهای مدنظر در شبکه گاز در یک ایستگاه گاز شامل سنسورهای فشار، دما، کنتور گاز، آنالایزرگاز، سنسور وضعیت شیر، سنسور ایمنی درب، سنسورهای وضعیت فیلترهای ایستگاه و غيره میباشند. اطلاعات این سنسورها به PLC/RTUمستقر در ایستگاه ارسال میگردد.
سپس PLC/RTU اطلاعات جمعآوری شده را با بستر مخابراتی رایج مانند شبکههای رادیویی خاص و یا شبکه های سلولی و با پروتکلهای عمومی شبکههای مانیتورینگ به درگاه دستگاه اصلی ترمینال (MTU/FEP) که در مرکز وجود دارد ارسال کرده و دستورات لازم را دریافت مینماید.
در نهایت این اطلاعات به سرورهای مختلفی در یک مرکز مانیتورینگ ارسال شده و آرشیو میگردند. دیگر اجزای مرکز مانیتورینگ و کنترل شبکه میتوانند با رعایت نکات امنیت سایبری به این مرکز متصل و اطلاعات مدنظر خود را از این مرکز برداشت نمایند.
در شکل زیر تجهیزاتی که در داخل تابلوی RTU برای ، نشان داده شده است. لازم به ذکر است که امکان توسعهپذیری در تابلوی RTU باید مدنظر قرار گیرد.
تجهیزات در یک تابلوی PLC/RTU ایستگاه گاز شامل موارد زیر میباشد:
1) منبع تغذیه و تامین انرژی تابلو
2) RTU و ماژولهای توسعهایی آن برای سیگنالهای ورودی/ خروجی آنالوگ و دیجیتال
3) قسمت ایمنی و اتصال ایمن به سنسورهای داخل ایستگاه گاز عموماً بریرهای ضد انفجار از نوع گالوانیک ایزوله میباشند. هر گونه ارتباطی از سطح تابلویRTU با تجهیزات درون ایستگاه باید از طریق بریرهای ضدانفجار باشد.
4) قسمت پایش و کنترل محیطی داخل تابلو شامل فن، کولر، هیتر و سنسورهای رطوبت و دما
5) قسمت ارتباط و مخابرات که شامل تجهیزاتی همچون Modem/Router است و این تجهیزات وظیفه ایجاد ارتباط مخابراتی را بر بسترهای مختلفی مانند رادیویی، سلولی، فیبر نوری، کابل LAN میتواند فراهم نمایند.
در جدول زیر حداقل قابلیت های یک RTU مناسب برای ایستگاه گاز آورده شده است:
| ردیف | قابلیت |
| 1 | جمعآوری و پردازش محلی دادهها شامل موارد زیر انجام شود:
· دریافت دادهها از کارتهای ورودی (آنالوگ و دیجیتال) و پورتها · چک کردن صحت دادههای ورودی · ذخیرهسازی دادهها تحت نام مشخص و مرتبط با داده همراه با برچسب زمانی در محل ایستگاه · تولید بستههای داده برای ارسال به پلتفرم (تحت پروتکلهای استاندارد) |
| 2 | ذخیرهسازی بسته داده در محل ایستگاه در قالب بانک اطلاعاتی استاندارد انجام شود. |
| 3 | قابلیت زبان برنامهنویسی PLC را داشته باشد. |
| 4 | سیستم مانیتورینگ باید قابلیت مانیتور کردن عملکرد تجهیزات مستقر در ایستگاه را در حداقل زمان پاسخدهی تجهیز داشته باشد. |
| 5 | دادههای بافر RTU که در حالت عدم وجود ارتباط در پایگاه اطلاعاتی RTU ذخیره شده است بایستی به هنگام وصل شدن شبکه ارتباطی در پایگاه داده پلتفرم بارگذاری شود. |
| 6 | سیستم دادهبرداری ایستگاه پس از قطع ارتباط با پلتفرم، باید توانایی نگهداری دادهها را داشته باشد؛ بطوریکه بلافاصله پس از برقراری ارتباط مجدد، اطلاعات را برای پلتفرم ارسال کند و تا زمانیکه از ارسال درست دادهها به پلتفرم اطمینان حاصل نشده، دادههای ذخیره شده را حذف ننماید. |
| 7 | PLC/RTU باید توانایی ارتباط با کلیه تصحیح کنندهها/ فلو کامپیوتر منصوبه در تمام ایستگاهها را داشته باشد. |
| 8 | برقراري ارتباط با دستگاه تصحیحكننده/ فلو کامپیوتر صرفاً و منحصراً از طريق پورت RS485 وRS232 يا اترنت صورت گیرد. |
| 9 | تنظیمات و Config مربوط به PLC/RTU بایستی از طریق صفحات http و یا نرم افزار کامپیوتری به صورت محلی (پورت Ethernet) همراه با احراز هویت انجام شود. |
| 10 | در صورت قطع شدن ارتیاط بین دستگاه PLC/RTU و تصحیحکننده و یا خاموشی PLC/RTU، دستگاه بعد از برقراری ارتباط باید بتواند دادههای تصحیحکننده را از آرشیو آن بازیابی کند. |
| 11 | در صورت خاموش و روشن شدن PLC/RTU نباید دادههای لاگگیری و تنظیمات آن حذف شوند. |
| 12 | PLC/RTU بعد از روشن شدن باید به صورت اتوماتیک راهاندازی شود و نیاز به اپراتور به صورت فیزیکی در محل نباشد. |
| 13 | PLC/RTU باید قابلیت ارسال Notification به عنوان دادههای مدیریتی از طریق لینک داده و یا در صورت وجود لینک کنترل از طریق بستر امن لینک کنترل برای وضعیتهای خود (بعنوان مثال وضعیت پورتهای سریال و وضعیت زنده بودن ارتباط با تجهیزات) و وضعیتهای داخلی خود مانند مدکاری، RUN/STOP/IDLE/ERROR را داشته باشد. |
| 14 | در طراحی و پیادهسازی RTU میبایست آخرین استانداردهای و ملاحظات امنیتی (اعم از سختافزاری و نرمافزاری) رعایت شده باشد. |
| 15 | امکان دسترسی بصورت ایمن )اعم ازدسترسی فیزیکی یا راه دور) صرفاً برای بهنگامسازی فریمور، پارامترهای ارتباطی و سیستمی، برنامه های کاربری و… میسر باشد و دسترسی به داده ذخیره شده ممکن نباشد. |
| 16 | ارتباطات بیسیمی مخابراتی نظیر وایفای و … در RTU تعبیه نشده باشد و برای ارسال داده از طریق این نوع شبکهها صرفاً با استفاده از یک دستگاه مجزا (نظیر مودم/روتر) صورت گیرد. |
| 17 | امکان پیادهسازی و اجرای نرمافزاری سرویسهای امنیتی مدنظر برای شبکه هوشمند توزیع گاز را دارا باشد و همچنین ذخیره پارامترهای امنیتی و کلید بصورت سختافزاری ایمن (نظیر قفل و یا …) فراهم باشد. |
ماژول توسعهای ورودی/خروجی (I/O)
تمام سیگنالهای PLC/RTU که به تجهیزات خارج از تابلو متصل میشوند اعم از تجهیزات مستقر در منطقه ایمن و منطقه خطر، در نهایت باید ایزوله باشند. در صورتیکه این تجهیزات در منطقه خطر باشد؛ این ایزولاسیون صرفاً توسط بریر از نوع ایزوله گالوانیک انجام میشود و در صورتیکه نیاز باشد به تجهیزی خارج از تابلو و در منطقه امن متصل شود این ایزولاسیون بایستی از طریق ماژولهای توسعهای ورودی/خروجی تامین شود.
به عنوان مثال، برای اتصال سنسور درب ایستگاه به PLC/RTU، نوع ماژول توسعهای ورودی دیجیتال بایستی از نوع ایزوله باشد. و برای ارتباط با سنسورهای فشار و دما سطح فیلد با خروجی 4-20mA از ورودی آنالوگ استفاده شود.
سوالات متداول
تفاوت PLC با RTU چیست؟
RTU مخصوص کاربردهای توزیعشده و ارتباط از راه دور است، در حالیکه PLC بیشتر برای پردازش داخلی و کنترلی استفاده میشود. RTU اغلب با قابلیتهای مخابراتی و ذخیرهسازی همراه است.
چرا در ایستگاههای گاز از RTU استفاده میشود؟
برای پایش بلادرنگ فشار، دما، ترکیب گاز، وضعیت شیر و ارسال اطلاعات به مرکز با امنیت بالا و استقلال عملکردی در شرایط قطع ارتباط.
آیا RTU باید حتماً وایفای داشته باشد؟
خیر، حتی نباید وایفای داخلی داشته باشد. ارتباط بیسیم باید فقط از طریق مودم/روتر مجزا انجام شود.
اگر RTU خاموش شود چه اتفاقی میافتد؟
باید بتواند پس از روشن شدن بدون دخالت اپراتور راهاندازی شود و اطلاعات از دست نرفته باشد.
