سیستم DCS یا سیستم کنترل توزیع شده چیست؟

سیستم DCS یا سیستم کنترل توزیع شده چیست؟

برای شناخت و درک سیستم کنترل توزیع شده DCS یا Distributed Control System، بهتر است ابتدا نگاهی به تفاوت آن با PLC بیندازیم.

PLC یا کنترل‌کننده منطق قابل برنامه‌ریزی، یک کامپیوتر برای خودکارسازی فرآیندها است. DCS یا سیستم کنترل توزیع شده دارای کنترلرهای کامپیوتری ناهموار است

به همین دلیل شبیه PLC است، اما DCS شامل چندین کنترلر مستقل است که در سراسر یک سیستم توزیع شده‌اند و همچنین برای فرآیندهای خودکار بکار می‌روند.

تفاوت های PLC و DCS

• کنترل سیستم‌هایی با سرعت بالا
• طراحی نسبتاً آسان و ارزان
• هسته اصلی سیستم محسوب می‌شوند
• انعطاف‌پذیر و کاربرپسند
• قابلیت تنظیم
• اپراتور توسط SCADA سیستم را کنترل می‌کند
• مناسب برای فرآیندهای کوچک
• برای ایجاد منطق سفارشی، سطح بالایی از زبان برنامه‌نویسی کاربرد دارد.
• برای یکپارچه کردن عملیات در قالب یک معماری واحد باید شرایطی فراهم شود.
• نیاز به روال‌های سفارشی است.
• افزونگی چندان مورد نیاز نیست.
• تنها PID ساده دارد.

• کنترل‌ به شکل مداوم و سخت
• مرکز کنترل یکپارچه بسیار شبیه به SCADA
• دارای تعدادی توابع معین و حاضر برای سفارشی‌سازی و پیاده‌سازی در برنامه‌های مختلف
• ایمنی بالاتر
• مناسب برای فرآیندهای بزرگ و پیچیده
• منطق سفارشی با بلوک‌های تابعی رایج ایجاد می‌شود
• کل سیستم به عنوان یک راه‌حل واحد عمل می‌کند
• اغلب الگوریتم‌ها پیچیده هستند و تفاوتی بین کاربردهای آن‌ها نیست
• احتمال افزونگی سیستم بیشتر است
• به کنترل کننده PID پیشرفته و حتی کنترل فرآیند پیچیده نیاز دارد

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تفاوت PLC و DCS اینجا را بخوانید.

سیستم کنترل توزیع شده DCS چیست؟

Distributed Control System یا همان سیستم کنترل توزیع شده که به آن سیستم کنترل غیرمتمرکز هم می‌، یکی از هوشمندترین سیستم هایی است که برای کنترل یکپارچه در کارخانه‌ها و خطوط تولید کاربرد.

در این سیستم هر جزء عملکرد خاص خود را دارد و ارتباط بین عناصر و جزءهای مختلف کارخانه از طریق یک کامپیوتر توزیع شده که شبکه کنترلی نام دارد، انجام می‌شود.

عملکرد سیستم DCS

از سنسورها در این سیستم برای دریافت داده‌ها، پردازش اطلاعات و انتقال داد‌ه‌ها به ماژول‌های ورودی/خروجی محلی کاربرد دارد. همچنین در اینجا دستگاه‌های راه‌انداز به این محرک‌های ورودی/خروجی متصل می‌شوند.

این اتصالات مدیریت کامل پارامترهای پردازشی را ممکن می‌کند. هنگامی که داده‌های دریافتی جمع آوری مرگردند، از طریق پروتکل فیلدباس (fieldbus) به بخش مترل پردازش ارسال می‌شوند.

دستگاه‌های میدانی هوشمند، داده‌های حسی را مستقیما به بخش کنترل پردازش ارسال می‌کنند؛ سپس داده‌های جمع آوری شده مجددا پردازش و ارزیابی می‌شوند تا با توجه به منطق کنترلی اجرا شونده در کنترل کننده‌ها، نتایج را ایجاد کنند.

نتایج حاصل از این روند مجدد توسط پروتکل فیلدباس به دستگاه‌های راه‌انداز ارسال می‌شوند.

ساختار و معماری سیستم کنترل غیر متمرکز

در این سیستم واحد پردازش کنترلی در تمام گره‌های سیستم توزیع می‌شود و از این طریق، قابلیت اطمینان کل سیستم را افزایش می‌دهد.

در این حالت، احتمال خرابی یک پردازنده کاهش می‌یابد و فقط در صورتی کل سیستم پردازش از خرابی یک پردازنده تاثیر می‌پذیرد که پردازنده واحد کامپیوتر توزیع خراب شود.

ساختار سیستم DCS دارای 1+4 سطح است که در تصویر زیر می‌توان مشاهده کرد.

سطح 1 و 2 مراحل عملیاتی سیستم DCS هستند و سطح 3 و 4، کنترل و برنامه‌ریزی فعالیت ها را مدیریت می‌کنند.

.

3 ویژگی اساسی معماری سیستم DCS عبارت است از:

• خودکارسازی روندهای صنعتی با ادغام روش های کنترلی مدرن
• قرار دادن تمام اجزاء در کنار هم به عنوان یک سیستم واحد
• چندین عملیات کنترلی به عنوان زیر سیستم های کوچکِ ذاتا نیمه‌خودکار توزیع می‌شوند.

در ادامه معماری این سیستم را در هر سطح شرح می‌دهیم:

شیرها (ولو)، سنسورها، گیج ها، موتورها، فرستنده‌ها، سوئیچ و .. در این سطح قرار می‌گیرند. ارتباط بین سطح 0 و سطح 1 می‌تواند از هر نوعی باشد، مانند: اترنت صنعتی، EtherCAT، DP، فیبرنوری، Profibus و ..

ماژول‌های ورودی/خروجی پیشرفته و میکرو کنترلرها (پردازنده های الکترونیکی توزیع شده) در این سطح قرار می‌گیرند؛ به همین دلیل به این سطح، سطح پردازنده نیز می‌گویند.

کنترلرهای اصلی (Master) که بر پردازنده‌های جداگانه (Slave) و ماژول‌های ورودی/خروجی نظارت می‌کنند، در این سطح قرار دارند. داده‌‎های مورد نیاز سرورها توسط این کنترلر ها فرآهم می‌شوند.

.

از اترنت صنعتی و گاهی فیبر نوری برای ارتباط این سطح با سطح قبلی استفاده می شود، پردازنده در این سطح برنامه منطقی را اجرا و آنچه که برای کنترل فرآیند مورد نیاز است را انجام می دهد.

بررسی تولیدات و نظارت بر اهداف توسط این سطح انجام می‌شود، به همین دلیل سطح مدیریت تولید نیز می‌نامند. در این سطح سرورها، کامپیوترهای بایگانی و ایستگاه‌های مهندسی قرار دارد.

ارتباط این سطح با سطح 4 معمولا از نوع اترنت صنعتی است. داده هایی که بین سطح 2 و 4 در جریان هستند و جمع آوری اطلاعات در سطح پردازنده، توسط سرورهای سطح 3 کنترل و مدیریت می‌شوند.

کامپیوترهای بایگانی در این سطح قرار می‌گیرند و برای ذخیره داده‌های قدیمی به کار می‌روند.

ایستگاه‌های مهندسی برای ایجاد پروژه‌های که فرآیند روی آن ها انجام می‌شود.

مانند: تنظیمات سخت افزاری، نمایش‌های گرافیکی برای تعامل با اپراتور، مدیریت تمامی وظایف از طریق بسته‌های نرم افزاری نصب شده، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در این سطح برنامه‌ریزی‌های اصلی و تعیین زمان‌بندی‌ها در فاز کلان، انجام می‌شود.

عناصر اصلی سیستم کنترل توزیع شده DCS

یک کنترل کننده نظارتی است. رایانه ای که از نرم افزارهای سیستم های خاصی مثل ABB Freelance DCS برای کنترل فضای کاری کاربرد دارد. 

این عنصر برای کاربر ابزارهای پیکربندی کنترلی که امکان اجرای فعالیت های برنامه ریزی و اجرا را دارند، فراهم می‌آورد. مانند: 

• توسعه حلقه‌های جدید
• ایجاد چندین گره ورودی/خروجی (I/O)
• تغییر منطق ترتیبی و کنترلی
• پیکربندی چندین دستگاه
• تنظیم مستندات هر مولفه ورودی/خروجی
• و ..

برای اجرای عملیات، مدیریت و نظارت بر پارامترهای کارخانه‌ای به کار می‌رود. و شامل تجهیزات نظارتی (مانند کامپیوتر شخصی) دارای ابزار نرم افزاری مجزا است..

کاربر با این ابزار (HMI یا واسط کاربری انسان و ماشین) می‌تواند مقادیر داده‌های پردازشی را رصد و عملیات مدنظر خود را اجرا نماید.

HMIها در دو گروه واحدهای تکی و واحدهای چندگانه قرار می‌گیرند.

• واحدهای تکی: اجرای فعالیت های مانند هشدار مقدار، مثل سطوح خاص یا نمایش روندها
• واحدهای چندگانه: اجرای برخی از فاکتورها و نمایش در کامپیوتر، جمع آوری و ثبت داده‌ها و ثبت روند

نام دیگر آن واحد کنترل محلی، واحد پردازش و یا کنترل کننده توزیع است.

واحد پردازش شامل بخش های زیر است:

• پردازشگر مرکزی (CPU) قدرتمند
• واحد ارتباطی با قابلیت پشتیبانی از پروتکل فیلدباس توسعه یافته
• ورودی/خروجی متصل از راه دور

دستگاه‌های میدانی هوشمند می‌توانند بدون اتصال به ماژول ورودی/خروجی، مستقیم به فیلدباس متصل شوند.

ورودی رایانه از سنسورهای بخش ورودی دریافت می‌شود. این ورودی دریافتی با توجه به منطق کنترلی اجرایی بررسی می‌شود. و خروجی به منظور هماهنگی با رله‌ها و واحدهای راه‌انداز از طریق واحد خروجی منتقل می‌شوند.

رسانه و کانال ارتباطی

اتصال واحدها و بخش های مختلف سیستم DCS مانند: واحد پردازش، دستگاه‌های هوشمند، واحد عملیات، فضای کاری مهندسی و .. توسط شبکه ارتباطی صورت می‌گیرد. و داده‌ها توسط این رسانه در سراسر سیستم منتقل می‌شوند. از رایج ترین پروتکل های ارتباطی در سیستم DCS می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• پروفی باس (Profibus)
• اترنت صنعتی (Ethernet)
• دیوایس نت (DeviceNet)
• مودباس (Modbus)
• فاندیشن فیلدباس (Fundation Field Bus)
• اترکت (EtherCAT)
• فیبر نوری 
• و ..

Redundancy یا افزونگی برخی یا تمام سطوح کنترلی یکی از مزیت‌های مهم DCS است. در شرایط مختلف، پردازش‌های پیچیده با انواع کنترل کننده‌ها و شبکه‌های ارتباطی اضافی تعبیه می‌شوند.

ویژگی های سیستم کنترل توزیع شده DCS

1. مدیریت فرآیندهای پیچیده
2. افزونگی سیستم
3. بلوک های عملیاتی از پیش تعریف شده متعدد: DCS، الگوریتم های مختلف، تعداد زیادی کتابخانه کاربردی استاندارد، فعالیت های از پیش تعریف و تست شده برای اداره بخش عظیمی از سیستم را فراهم می‌آورد.
4. طراحی پیشرفته‌تر HMI  امکان مدیریت و نظارت بر سیستم های پیچیده را فراهم و به عنوان یک سیستم متمرکز برای کل DCS عمل می‌کند.
5. مقیاس پذیری توسعه یافته: انعطاف پذیری بیشتر برای طیف وسیعی از سیستم های سرور
6. محافظت از سیستم 

مزایا سیستم DCS

حداقل زمان برنامه‌ریزی و اجرا

امکان مدیریت دسته‌ای

نیاز کمتر سیستم به عیب‌یابی

سرور OPC

سیستم به سمت سازمان دهی بهتر و قابلیت اطمینان بیشتر حرکت می‌کند.

همراه با صفحات مدرن و گرافیک HMI

محبوب ترین و معروف ترین سیستم های کنترل توزیع شده DCS

• SIMATIC PCS 7 زیمنس

به لطف معماری بسیار عالی و ابزارهای متنوع، در مقایسه با سایر سیستم های کنترلی بازار، بهترین است.

با ورود این سیستم به بازار یک جایگاه شغلی انحصاری با نام «مهندسی PCS 7» در دنیا ایجاد شد.

• DeltaV امرسون

پیاده‌سازی این سیستم در یک واحد صنعتی، افزایش کارایی عملکرد و افزایش راندمان را به همراه دارد.

استفاده از این سیستم به صنایع در کاهش هزینه‌ها و کاهش تعمیر و نگهداری، کمک بسیاری می‌کند.

صنایعی که سیستم های DCS در آن ها کاربرد دارد و می‌توان عملکرد و راندمان را در آن ها به شکل چشمگیری بهبود بخشید، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خودروسازی
• مواد غذایی
• داروسازی
• نیروگاه‌های هسته‌ای، 
• پتروشیمی و متالوژی
• تاسیسات آب و فاضلاب
• سیستم های مدیریت محیط زیست