سیستم DCS چیست؟ معرفی 4 سطح معماری آن

سیستم DCS چیست؟ سیستم کنترل توزیع شده که مخفف عبارت Distributed Control System است، به نظام های هوشمندی گفته می شود که در صنایع و کارخانجات بزرگ برای کنترل همه وسایل مرتبط به اینترنت، به کار می رود. شما می توانید با این ساز و کار هر نوع فرایندی را در دستگاه ها متوقف، یا سرعت آن را کم و زیاد کنید. بد نیست بدانید که امروزه به سیستم های DCS، سامانه کنترل غیر متمرکز هم گفته می شود، که نقطه مقابل نظام قدیمی کنترل متمرکز محسوب می شود.

DCS، دارای ایستگاه های مختلفی است که کل ساختار را به صورت واحد کنترل می کند. ایستگاه عملیاتی یا HMI که یک نمونه آن اچ ام آی دلتا می باشد، نمایش عملکردها، مقدار پارامتر، روند و انواع هشدار را نمایش می دهد. در ادامه قصد داریم در خصوص سیستم DCS، اجزا و کاربردهای آن اطلاعات مفیدی دارد را در اختیار شما قرار دهیم. با مطلب تخصصی آزند اتوماسیون همراه باشید.

سیستم کنترل توزیع شده DCS چیست؟

در مقدمه تا حدی به این موضوع پرداختیم که سیستم DCS چیست اما قصد داریم با جزئیات بیشتری در این قسمت صحبت کنیم. چون اکثر مهندسین ایرانی، بخاطر دسترسی نداشتن به نیروگاه ها و صنایع مهم و تأسیسات کنترلی بزرگ، اطلاعات چندانی در این خصوص ندارند. به طور کلی کنترل کننده های یک فرایند یا به صورت متمرکز عمل می کنند یا توزیع شده. کنترل متمرکز یا CCS شامل مجموعه ای از کنترل کننده ها در یک مکان مشخص هستند که تصمیم ها در یک جا گرفته شده و به بقیه قسمت ها ارسال می شود مثل موبایل که همه تصمیمات در قسمت CPU گرفته شده و فرامین ارسال می شوند یا مثل پی ال سی که تمام تحلیل ها درون آن صورت می گیرد.

اما در سمت مقابل، سامانه کنترل توزیع شده یعنی یک بخش یا تجهیز خاصی مسئول تصمیم گیری کل نیست، هر تصمیم در یک بخش و مجزای از سایرین گرفته شده و فرامین ارسال می شوند. بهترین مثال همین سیستم کنترل توزیع شده DCS است که المان ها یا تجهیزات کنترلی آن در بخش های مختلف کارخانه یا صنعت مدنظر پخش شده و بنابراین DCS برخلاف CCS یک تجهیز یا وسیله نیست بلکه روشی خاص برای پیاده سازی یک نظام کنترلی است. ارتباط بین تجهیزات در واحد DCS به کمک شبکه های ارتباطی مختلف مثل اترنت/IP، پروفیباس DP، ControlNet و غیره است.

در واقع دلیل اینکه به DCS، سامانه کنترلی توزیع شده گفته می شود چون کنترلرها در بخش های مختلف توزیع یا پخش شده اند (Distributed) و کنترل فرایند بین چندین کنترل کننده تقسیم شده است. بنابراین توسعه و اضافه کردن تجهیزات جدید به کل دستگاه کنترلی بدون مشکل خواهد بود و همین ویژگی باعث شده تا در بخش هایی که تعداد ورودی و خروجی ها بسیار زیاد است، از DCS استفاده کنند.

معماری سیستم کنترل توزیع شده

سیستم کنترل توزیع شده DCS چه ساختار و معماری دارد؟ در DCS، واحدهای کنترلی به نحوی پخش شده اند که اطمینان پذیری کل را افزایش داده و نرخ خرابی پردازش کننده را کاهش دهد. تنها زمانی سیستم DCS به طور کامل از کار می افتد که پردازنده خراب شده مربوط به واحد کامپیوتر توزیع شده باشد.

طبق معماری که برای نظام DCS در نظر گرفته شده، 4 سطح را می توان متصور شد که در ادامه توضیح می دهیم:

سطح صفر یا Field Level

سطح صفر یا سطح میدانی منظور تجهیزاتی مثل دریچه ها، سنسورها، موتورها، سوئیچ ها، والوها، فرستنده ها و غیره هستند. ارتباطاتی که لازم است بین سطح صفر و یک برقرار شود معمولا از نوع اترنت صنعتی، فیبر نوری، EtherCAT و غیره است و عملا محدودیت خاصی در نوع پروتکل ارتباطی وجود ندارد.

سطح یک یا Direct Control

سطح یک یا کنترل مستقیم شامل ماژول های ورودی و خروجی پیشرفته و پردازنده های الکترونیکی توزیع شده مربوط به آنها یا میکروکنترلرهاست به همین دلیل به سطح یک در معماری DCS، سطح پردازنده می گویند. هر کنترلر وظیفه مدیریت یک بخشی خاصی از کارخانه است و متناسب با همان بخش نامگذاری می شود. شبکه ارتباطی که در سطح دو وجود دارد، پشتیبان یا Redundant دارد.

ارتباط این بخش با قسمت های داخلی و سطوح بالاتر با روش های مختلف انجام می گیرد که رایج ترین آن، اترنت با استاندارد IEEE802.3 است که به کمک آن کابل های زوج به هم تابیده با یکدیگر ترکیب می شوند تا نقاط انتهایی شبکه را به هم وصل کنند و از فیبر نوری برای اتصالات اصلی استفاده شود.

سطح دو یا Plant Supervisory

سطح دو یا سطح نظارتی کارخانه شامل کامپیوترهای نظارتی است که داده های بخش های پردازشی موجود در سیستم را جمع آوری کرده و به شکل صفحات پردازش شده به اپراتور می دهند. در سطح دو معماری ساز و کار DCS، کنترلرهای اصلی یا Master وجود دارند که کار آنها نظارت بر پردازنده های جداگانه یا Slave و ماژول های ورودی و خروجی است و از طرفی داده های مورد نیاز برای سرورها را نیز جمع آوری می کنند.

ارتباط سطح دو با سطح یک با اترنت صنعتی است در صورتی که کابل کشی اترنت خیلی طولانی نشود در غیر این صورت از فیبر نوری استفاده خواهد شد. سطح دو یا سطح نهایی یا Monitoring از دو قسمت به نام های Engineering Station و Operating Station تشکیل شده است.

سطح سه یا Production Control

سطح سه یا کنترل تولید با هدف بررسی تولیدات و کنترل اهداف ایجاد شده و در بسیاری از سیستم ها متشکل از سرورها، کامپیوترهای بایگانی و ایستگاه های مهندسی است. ارتباط سطح سه با سطح 4 از طریق اترنت صنعتی است و سرورها برای جمع آوری داده ها در سطح پردازنده هستند و همچنین اطمینان حاصل می کنند که بین داده ها بین سطح 2 و 4 جریان دارد.

کامپیوترهای بایگانی، برای ذخیره سازی داده های قدیمی جهت استفاده احتمالی در پروژه های جدید استفاده می شوند. ایستگاه های مهندسی نیز، جهت ساخت پروژه هایی استفاده می شوند که قرار است روی آنها فرایند خاصی انجام شود. مانند تنظیمات سخت افزاری، نمایش های گرافیکی در HMI ها مثل اچ ام آی دلتا و مدیریت کلیه وظایف به کمک نرم افزارهای نصب شده.

سطح چهار یا Production Scheduling

سطح چهار یا برنامه ریزی برای تولید با هدف برنامه و زمان بندی مناسب و اصولی در فاز کلان ایجاد شده است. بنابراین با توجه به توضیحاتی که در خصوص معماری و ساختار یک سیستم کنترل توزیع شده DCS دادیم متوجه شدید که سطوح 1 و 2 به عنوان سطوح عملیاتی هستند که همه مؤلفه ها به شکل مجموعه ای یکپارچه قرار گرفته اند و سطوح 3 و 4 به عنوان کنترل کننده و برنامه ریز فرایندها عمل می کنند.

بنابراین اگر بخواهیم ویژگی های معماری یک سیستم DCS را نام ببریم باید به موارد زیر اشاره کرد:

• اتومات کردن فرایندهای صنعتی از طریق ترکیب کردن روش های کنترلی پیشرفته
• کنار هم قرار دادن کلیه بخش ها با هدف تشکیل یک نظام واحد
• توزیع شدن چندین عملیات کنترلی به شکل سامانه های کوچک نیمه خودکار

مؤلفه های مهم همه سیستم های DCS

در کلیه مدل هایی که برای یک سیستم DCS کنترل توزیع شده می توان متصور شد چندین مؤلفه مشترک هستند:

فضای کاری مهندسی

این مؤلفه در نقش کنترل کننده نظارتی است مثل یک کامپیوتر شخصی که با نرم افزارهای مخصوص مثل ABB Freelance DCS کار می کند. با کمک فضای کاری مهندسی می توان با توسعه حلقه های جدید، تغییر منطق ترتیبی و کنترلی، تنظیم داکیومنت های کلیه ورودی و خروجی ها، ساخت گره های مختلف ورودی/خروجی و پیکربندی چند مورد دستگاه، مجموعه کنترلی ایجاد کرد که به شما اجازه می دهد فعالیت های برنامه ریزی و اجرا را پیاده سازی کنید.

فضای کاری عملیاتی یا HMI

اچ ام آی مثل اچ ام آی دلتا وظیفه اجرای عملیات، نظارت و نمایش داده های مختلف را بر عهده دارد تا اپراتور با تفسیر آنها دستورات لازم را صادر کند. اچ ام آی ها شاید تکی یا چندگانه باشند. اچ ام آی ها تکی برای اجرای فعالیت های خاص مثل هشدار مقادیر به کار می روند. اچ ام آی ها چند گانه برای اجرای فاکتورهای مختلف و نمایش در کامپیوترهای شخصی، جمع آوری داده ها و ثبت آنها استفاده می شوند.

واحد کنترل پردازش

به واحد کنترل پردازش در سیستم کنترل توزیع شده، واحد کنترل محلی می گویند که در یک DCS از یک تا چندین عدد از این واحدها به چشم می خورند و با ورودی و خروجی های مختلف قابلیت توسعه هم دارند. این واحد به تنهایی شامل یک CPU قدرتمند، واحد ارتباطی که از پروتکل فیلدباس توسعه یافته پشتیبانی می کند و چندین واحد ورودی/خروجی متصل از راه دور است.

کانال های ارتباطی

شبکه و کانال ارتباطی از دیگر مؤلفه های بسیار مهم در یک سیستم کنترل توزیع شده DCS است که وظیفه ارتباط برقرار کردن بین بخش های گفته شده را دارد. علاوه بر این داده ها در کل ایستگاه ها نیز به وسیله این کانال های ارتباطی جابجا می شوند. معمولا کانال های ارتباطی با پروتکل های رایجی مثل پروفی باس، اترنت صنعتی، دیوایس نت، مدباس، فاندیشن فیلدباس، فیبرنوری، اترکت و غیره کار می کنند.

سیستم کنترل توزیع شده DCS چه ویژگی هایی دارد؟

از جمله ویژگی های مهم تمامی سامانه های DCS می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دارای چندین بلوک عملیاتی از پیش تعریف شده با الگوریتم های گوناگون و کتابخانه های کاربردی استاندارد
• طراحی پیشرفته اچ ام آی ها، جهت نظارت بر دستگاه های پیچیده و کار به عنوان مجموعه متمرکز در DCS
• انعطاف پذیری بالا برای سیستم های سرور مختلف، جهت توسعه پیدا کردن
• ادامه پیدا کردن فعالیت کل نظام در صورت آسیب دیدن یکی از واحدهای کنترلی توزیع شده
• محافظت عالی از ساز و کار
• مدیریت کردن فرایندهای بسیار پیچیده
• حداقل نیاز به برنامه ریزی و اجرا
• کمتر شدن نیاز به دستگاه های عیب یابی متعدد

سیستم DCS در چه صنایعی کاربرد دارد؟

همانطور که صحبت کردیم، ویژگی های متعدد و بسیار مهمی برای سیستم های کنترل توزیع شده DCS، وجود دارند که باعث شده در مقایسه با نظام کنترلی متمرکز، کاربردهای گسترده ای پیدا کنند. از جمله کاربردهای DCS می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نیروگاه های عظیم صنعتی مثل نیروگاه های هسته ای، شیمیایی و پتروشیمی
• صنایع خودروسازی
• صنایع تولید مواد غذایی
• صنایع عظیم داروسازی
• صنایع آب و فاضلاب
• سامانه کنترل و مدیریت محیط زیست
• صنایع نفت و گاز
• نظام های کنترلی نیروگاه ها و بویلرها
• صنایع سنگ و معدن
• مهندسی متالوژی

و غیره.

مزایا و معایب DCS

با توجه به توضیحات کاملی که تا به الان در خصوص سیستم های کنترلی توزیع شده DCS، داده ایم حتما مزایا و معایب آن را شناخته اید. اما برای جمع بندی کامل بد نیست به شکل موردی اشاره ای داشته باشیم.

مزایای سیستم DCS

• بالا رفتن سطح نظارت روی اجرای فرایند
• بالا بردن اطمینان پذیری مجموعه
• افزایش پیدا کردن توسعه و امکان انعطاف پذیری آن
• بالا رفتن سطح امنیت ساز و کارها
• تعریف کردن سیاست های محلی بخاطر سلسله مراتبی بودن وظایف و تسک ها
• کمتر شدن تنش های پردازشی و عدم وارد شدن فشار به یک بخش کنترلی متمرکز
• یکپارچه شدن همه نظام درگیر در صنعت کاری از سامانه های نظارتی تا گزارش گیری
• کاربردی بودن برای فرایندهای پیوسته و ناپیوسته

معایب سیستم DCS

• بالا رفتن میزان پیچیدگی کار در برخی صنایع
• سازگاری نداشتن قطعات برندهای مختلف با یکدیگر
• هزینه بالا
• کمبود نیروی متخصص
• انحصار داشتن بخش های گوناگون نسبت به هم

فرق بین PLC و DCS چیست؟

شاید برخی افراد با این سؤال مواجه شوند که تفاوت PLC و DCS در اتوماسیون صنعتی چیست؟  دو سیستم کنترلی که قرار نبود تا این اندازه با یکدیگر دچار چالش و رقابت شوند. اگر به طور کامل با پی ال سی آشنایی ندارید، حتما مقاله ای که به معرفی کامل پی ال سی پرداخته ایم را مطالعه کنید. در ادامه قصد داریم به شکل جدول و موردی به بررسی تفاوت بین PLC و DCS بپردازیم:

تفاوت های کلیدی و مهم بین PLC و DCS

• پی ال سی یک بخش واحد برای کنترل کردن فرایندهاست در حالی که DCS یک سامانه کنترلی توزیع شده برای کنترل شبکه های بزرگ و صنایع عظیم است.
• سرعت عملیات منطقی در پی ال سی به گونه ای است که برای عملیات های فوق سریع طراحی شده در حالی که در DCS چون باید حجم زیادی از فرایندها کنترل شوند نباید انتظار چنین سرعتی را داشت
• پی ال سی ها وقتی اختراع شدند توانسته جای رله های الکترومکانیکی را بگیرند در حالی که DCS با بکارگیری مؤلفه های کنترلی مختلف جای کنترل های سینگل لوپ را گرفتند.
• سرعت پاسخگویی در PLC حدود یک دهم ثانیه است در حالی که برای DCS حدود 30 میلی ثانیه است.
• معماری و ساختار پی ال سی به مراتب ساده تر از DCS است.
• PLC ها برای کنترل ماشین هایی مثل Lathe طراحی شده اند که باید عملیات و فرایندهای همان دستگاه را کنترل کنند. اما DCS برای کنترل کل فرایندهای یک مجموعه مثل سیستم های برق و نیروگاهی کاربرد دارد.
• پی ال سی دارای یک کنترلر متمرکزی است که عموما داخل RTU قرار گرفته، در حالی که سیستم DCS بخاطر ساختار توزیعی آن چنین بخشی را ندارد.
• کل ورودی و خروجی هایی که توسط یک پی ال سی ساپورت می شود کمتر از 1000 عدد است در حالی که برای DCS به چندین هزار عدد می رسد.

مابقی مواردی که در جدول گفته شده اند به دلیل اینکه تفاوت های واضحی هستند در این قسمت توضیح اضافه ای ندادیم.

فرق بین  DCS و سیستم SCADA چیست؟

شباهت های زیادی بین سامانه های DCS و SACADA وجود دارد. مثلا هر دو از مکانیسم های کنترلی و نظارتی در تأسیسات صنعتی استفاده می کنند. البته این دو، تفاوت های مهمی دارند که نباید از آنها غافل شد. در ادامه به بررسی تفاوت های بین DCS و اسکادا می پردازیم:

• نظام کنترل توزیع شده DCS یک نظام مبتنی بر فرایند است. در حالی که سیستم های اسکادا، بر جمع آوری داده ها متمرکز هستند.
• DCS عمدتا وظیفه کنترل فرایندهای گوناگون، با سطوح نظارتی را بر عهده دارد و اطلاعات لازم را به اپراتور می دهد. اما SCADA بر روی دریافت داده و ارائه آنها به اپراتور و مرکز کنترل تمرکز دارد.
• در سیستم کنترل توزیع شده DCS، ماژول و کنترلرهای مختلف برای جمع آوری و کنترل کردن داده ها، در مناطق مختلف بوده که با شبکه های ارتباطی مختلف به هم وصل می شوند. اما مجموعه اسکادا منطقه بزرگتری را تحت پوشش قرار داده و پروتکل های ارتباطی آن ایمنی بیشتری دارند.
• سامانه DCS یک کنترل حلقه بسته دارد، اما اسکادا چندین کنترل حلقه بسته دارد.
• DCS حالت فرایند محور دارند و پیوسته فرایندها را اسکن کرده و نتایج و داده ها را به اپراتور می دهند. اما اسکادا، رویداد محور است و فرایندها در آن به شکل پیوسته اسکن نمی شوند.

جمع بندی مطالب

در این مطلب از آزند اتوماسیون تمامی تلاش ما بر این بود تا به طور کامل بگوییم سیستم DCS چیست و آن را تشریح کنیم. همانطور که حدس می زنید سامانه های DCS تا چند سال آینده می توانند برای صنایع بزرگ و عظیم از اولویت بالایی برخوردار باشند. اما پیشرفت هایی که در پی ال سی ها رخ داده جایگاه آنها را تا 20 سال آینده تضمین خواهد کرد. از لحاظ بازار کار، دنیای پی ال سی اشباع شده اما کمبود نیروی متخصص در سیستم های DCS باعث شده تقریبا بکر باقی بماند. با این حال انتخاب با شماست که از پی ال سی استفاده کنید یا دی سی اس. اما اگر به فکر خرید پی ال سی هستید، می توانید از آزند اتوماسیون که نماینده رسمی محصولات دلتا در ایران است کمک بگیرید.