در سال‌های اخیر، استفاده از دستگاه‌های هوشمند و اتوبوس‌های میدانی باعث شده است که سیستم کنترل توزیع‌شده (DCS) در فرآیندهای صنعتی بزرگ و پیچیده در مقایسه با سیستم کنترل متمرکز سابق برجسته باشد. این توزیع معماری سیستم کنترل در اطراف نیروگاه منجر به تولید راه های کارآمدتر برای بهبود قابلیت اطمینان کنترل، کیفیت فرآیند و کارایی کارخانه شده است.
امروزه سیستم کنترل توزیع‌شده در بسیاری از زمینه‌های صنعتی مانند کارخانه‌های شیمیایی، صنایع نفت و گاز، واحدهای فرآوری مواد غذایی، نیروگاه‌های هسته‌ای، سیستم‌های مدیریت آب، صنایع خودروسازی و … یافت شده است.
سیستم کنترل توزیع شده DSC چیست؟
سیستم کنترل توزیع شده (DCS) یک سیستم کنترل خودکار طراحی شده است که از عناصر کنترلی توزیع شده جغرافیایی بر روی کارخانه یا منطقه کنترل تشکیل شده است. با سیستم کنترل متمرکز تفاوت دارد که در آن یک کنترل کننده در محل مرکزی عملکرد کنترل را اداره می کند، اما در سیستم کنترل توزیع‌شده هر عنصر فرآیند یا ماشین یا گروهی از ماشین ها توسط یک کنترل کننده اختصاصی کنترل می شود. DCS از تعداد زیادی کنترل کننده محلی در بخش های مختلف منطقه کنترل نیروگاه تشکیل شده است و از طریق یک شبکه ارتباطی با سرعت بالا به هم متصل می شوند.
سیستم کنترل توزیع‌شده، توابع جمع‌آوری و کنترل داده‌ها از طریق تعدادی از کنترل‌کننده‌های DCS انجام می‌شوند که واحدهای مبتنی بر ریزپردازنده هستند که به صورت عملکردی و جغرافیایی بر روی کارخانه توزیع شده‌اند و در نزدیکی منطقه‌ای قرار دارند که عملکردهای کنترل یا جمع‌آوری داده‌ها در آنجا انجام می‌شوند، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است. این کنترل‌کننده‌ها می‌توانند بین خود و همچنین با کنترل‌کننده‌های دیگر مانند پایانه‌های نظارتی، پایانه‌های اپراتور، مورخان و غیره ارتباط برقرار کنند.
کنترل کننده های خودکار انفرادی
کنترل کننده های خودکار انفرادی توزیع شده به دستگاه های میدانی مانند سنسورها و محرک ها متصل می شوند. این کنترل‌کننده‌ها از اشتراک‌گذاری داده‌های جمع‌آوری‌شده با سایر کنترل‌کننده‌های سلسله مراتبی از طریق گذرگاه‌های فیلد مختلف اطمینان حاصل می‌کنند. برای برقراری ارتباط بین کنترلرها از گذرگاه های میدانی مختلف یا پروتکل های ارتباطی استاندارد استفاده می شود. برخی از این موارد عبارتند از Profibus، HART، arc net، Modbus و غیره.
سیستم کنترل توزیع‌شده برای کارخانه‌های فرآوری یا تولید در مقیاس بزرگ مناسب است که در آن تعداد زیادی از حلقه‌های کنترل پیوسته باید نظارت و کنترل شوند. مزیت اصلی تقسیم وظایف کنترل برای کنترل کننده های توزیع شده این است که اگر هر بخشی از DCS از کار بیفتد، کارخانه می تواند بدون توجه به بخش خراب به کار خود ادامه دهد.
معماری سیستم کنترل توزیع‌شده
همانطور که از نام آن پیداست، سیستم کنترل توزیع‌شده دارای سه ویژگی اصلی است. اولین مورد، توزیع توابع کنترلی مختلف در مجموعه‌های نسبتاً کوچکی از زیرسیستم‌ها است که نیمه‌خودمختار هستند و از طریق یک گذرگاه ارتباطی با سرعت بالا به هم متصل می‌شوند. برخی از این توابع شامل جمع آوری داده ها، ارائه داده ها، کنترل فرآیند، نظارت بر فرآیند، گزارش اطلاعات، ذخیره سازی و بازیابی اطلاعات است.
دومین ویژگی DCS اتوماسیون فرآیند تولید با ادغام استراتژی های کنترل پیشرفته است. و ویژگی سوم نظم بخشیدن به امور است. سیستم کنترل توزیع‌شده کل ساختار کنترل را به عنوان یک سیستم اتوماسیون واحد سازماندهی می کند که در آن زیرسیستم های مختلف از طریق ساختار فرماندهی مناسب و جریان اطلاعات متحد می شوند.
این ویژگی های DCS را می توان در معماری آن مشاهده کرد که در نمودار زیر نشان داده شده است. عناصر اساسی موجود در یک سیستم کنترل توزیع‌شده شامل ایستگاه کاری مهندسی، ایستگاه عملیاتی یا HMI، واحد کنترل فرآیند یا واحد کنترل محلی، دستگاه‌های هوشمند و سیستم ارتباطی است.
ایستگاه کاری مهندسی
این کنترل کننده نظارتی بر کل سیستم کنترل توزیع شده است. این می تواند یک رایانه شخصی یا هر رایانه دیگری باشد که دارای نرم افزار مهندسی اختصاصی است (به عنوان مثال، ایستگاه مهندسی کنترل ساز F در مورد سیستم کنترل توزیع شده آزاد ABB).
این ایستگاه مهندسی ابزارهای پیکربندی قدرتمندی را ارائه می دهد که به کاربر امکان انجام عملکردهای مهندسی مانند ایجاد حلقه های جدید، ایجاد نقاط ورودی و خروجی مختلف، اصلاح منطق کنترل متوالی و پیوسته، پیکربندی دستگاه های مختلف توزیع شده، تهیه مستندات برای هر دستگاه ورودی/خروجی و غیره را می دهد. .
ایستگاه عملیاتی یا HMI
این برای عملکرد، نظارت و کنترل پارامترهای کارخانه استفاده می شود. این می تواند یک رایانه شخصی یا هر دستگاه نظارتی دیگری باشد که دارای یک ابزار نرم افزاری جداگانه است که اپراتور می تواند مقادیر پارامترهای فرآیند و مطابقت را روی آن مشاهده کند. به شدت اقدام کنترلی انجام دهید. به عنوان مثال، این یک ابزار نرم افزاری DigiVis است که می تواند روی یک محیط PC ساده در مورد ABB DCS اجرا شود.
ایستگاه‌های عملیاتی می‌توانند یک واحد یا چند واحد باشند که در آن یک واحد عملکردهایی مانند نمایش مقدار پارامتر، نمایش روند، هشدار و غیره را انجام می‌دهد، در حالی که چندین واحد یا رایانه شخصی عملکردهای فردی مانند برخی پارامترهای نمایش رایانه‌های شخصی، برخی برای بایگانی روند، برخی برای ثبت و دریافت داده ها و غیره
واحد کنترل فرآیند سیستم کنترل توزیع‌شده
همچنین به عنوان واحد کنترل محلی، کنترل کننده توزیع یا ایستگاه فرآیند نامیده می شود. یک سیستم کنترل توزیع شده می تواند شامل یک یا چند ایستگاه فرآیند باشد که می تواند با انواع مختلف واحدهای ورودی/خروجی گسترش یابد. این کنترلرها شامل یک ماژول CPU قدرتمند، فیلد باس یا ماژول ارتباطی با قابلیت گذرگاه میدان گسترده و I/Oهای متصل مستقیم یا از راه دور هستند.
دستگاه های میدانی مانند سنسورها و محرک ها به ماژول های ورودی/خروجی این واحد متصل می شوند. برخی از دستگاه‌های فیلد را می‌توان مستقیماً به فیلد باس (مانند Profibus) بدون ماژول ورودی/خروجی متصل کرد که می‌توان آنها را دستگاه‌های میدان هوشمند نامید.
واحد کنترل توزیع
این واحدها اطلاعات حسگرهای مختلف را از طریق ماژول ورودی به دست می آورند، آن را بر اساس منطق کنترل اجرا شده تجزیه و تحلیل و پردازش می کنند و سیگنال های خروجی را از طریق ماژول های خروجی ارسال می کنند تا بر روی محرک ها و رله ها کنترل داشته باشند.
این واحد شامل یک منبع تغذیه به همراه بخش CPU، بخش اترنت، بخش Profibus و واحد رابط ارتباطی راه دور برای رابط ورودی/خروجی است که در شکل نشان داده شده است که در آن ماژول اول واحد AC 800F و دیگری ورودی/خروجی از راه دور است (همچنین به نام به عنوان ماژول رابط ارتباطی).
سیستم ارتباطات
رسانه ارتباطی نقش اصلی را در کل سیستم کنترل توزیع شده ایفا می کند. این ایستگاه مهندسی، ایستگاه عملیاتی، ایستگاه فرآیند و دستگاه های هوشمند را به یکدیگر متصل می کند. این اطلاعات را از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر منتقل می کند. پروتکل های ارتباطی رایج مورد استفاده در DCS عبارتند از: اترنت، پروفیباس، گذرگاه فیلد بنیاد، دیوایس نت، مدباس و غیره.
استفاده از یک پروتکل برای کل سیستم کنترل توزیع‌شده اجباری نیست، برخی از سطوح می توانند از یک شبکه استفاده کنند در حالی که برخی از سطوح از شبکه های مختلف استفاده می کنند. به عنوان مثال، در نظر بگیرید که دستگاه های میدانی، ورودی/خروجی های توزیع شده و ایستگاه پردازش با Profibus به هم متصل هستند در حالی که ارتباط بین ایستگاه های مهندسی، HMI و ایستگاه پردازش از طریق اترنت انجام می شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.
سیستم ارتباطی در DCS
مزیت اصلی سیستم کنترل توزیع‌شده ، افزونگی برخی یا همه سطوح ناحیه کنترل است. اکثر موارد فرآیندهای بحرانی با کنترل کننده های اضافی و شبکه های ارتباطی اضافی نصب می شوند به طوری که مشکل در خط پردازش اصلی نباید به دلیل قسمت پردازش اضافی بر عملکردهای نظارت و کنترل تأثیر بگذارد.
دستگاه های هوشمند
دستگاه‌های میدان هوشمند و فناوری فیلد باس از ویژگی‌های پیشرفته فناوری DCS هستند که جایگزین زیرسیستم‌های سنتی ورودی/خروجی (ماژول‌های I/O) می‌شوند. این دستگاه‌های هوشمند، هوش مورد نیاز برای تکنیک‌های سنجش و کنترل ساده را در دستگاه‌های حسگر و محرک اولیه تعبیه می‌کنند و از این رو نیاز به یک کنترلر DCS برای انجام فرآیند سنجش و کنترل معمولی را جایگزین می کند.
این دستگاه‌های میدانی را می‌توان مستقیماً به فیلد باس متصل کرد تا منبع اندازه‌گیری‌های متعدد به ایستگاه کنترل سطح بالاتر بعدی از طریق خط انتقال دیجیتال با حذف سخت‌افزارهای اضافی مانند ماژول‌های I/O محلی و کنترل‌کننده‌ها امکان‌پذیر باشد.
کار و بهره برداری از سیستم DCS
عملکرد سیستم کنترل توزیع‌شده به این صورت است. سنسورها اطلاعات فرآیند را حس می‌کنند و آن را به ماژول‌های ورودی/خروجی محلی می‌فرستند، که محرک‌ها نیز به آنها متصل هستند تا پارامترهای فرآیند را کنترل کنند. اطلاعات یا داده های این ماژول های راه دور از طریق فیلد باس به واحد کنترل فرآیند جمع آوری می شود. در صورت استفاده از دستگاه های میدان هوشمند، اطلاعات حس شده مستقیماً از طریق فیلد باس به واحد کنترل فرآیند منتقل می شود.
اطلاعات جمع آوری شده بیشتر پردازش، تجزیه و تحلیل می شود و نتایج خروجی را بر اساس منطق کنترل پیاده سازی شده در کنترل کننده تولید می کند. سپس نتایج یا اقدامات کنترلی از طریق فیلد باس به دستگاه های محرک منتقل می شود. پیکربندی، راه اندازی و اجرای منطق کنترل DCS همانطور که قبلاً ذکر شد در ایستگاه مهندسی انجام می شود. اپراتور می تواند اقدامات کنترلی را به صورت دستی در ایستگاه های عملیات مشاهده و ارسال کند.
تفاوت بین SCADA و DCS (DCS در مقابل SCADA)
اگرچه DCS و SCADA هر دو مکانیسم های نظارت و کنترل در تاسیسات صنعتی هستند، اما اهداف متفاوتی دارند. برخی از مشترکات بین DCS و SCADA از نظر سخت افزار و اجزای آن وجود دارد، با این حال، الزامات خاصی توسط برنامه های کاربردی نهایی وجود دارد که یک DCS قوی و مقرون به صرفه را از سیستم SCADA قابل دوام جدا می کند. برخی از تفاوت های DCS و SCADA در زیر ذکر شده است.
سیستم کنترل توزیع‌شده فرآیند گرا است، در حالی که SCADA گردآوری داده گرا است. DCS بر کنترل بیشتر تأکید داردl از فرآیند و همچنین شامل سطح کنترل نظارتی است. و به عنوان بخشی از انجام این کار، اطلاعات را به اپراتور ارائه می دهد. از سوی دیگر، SCADA بیشتر بر روی داده های فرآیند اکتساب و ارائه آن به اپراتورها و مرکز کنترل تمرکز می کند.
پوشش مناطق جغرافیایی بزرگ تر با SCADA
در DCS، ماژول ها یا کنترلرهای جمع آوری و کنترل داده ها معمولاً در یک منطقه محدودتر قرار دارند و ارتباط بین واحدهای کنترل توزیع شده مختلف از طریق یک شبکه محلی انجام می شود. SCADA به طور کلی مناطق جغرافیایی بزرگ تری را پوشش می دهد که از سیستم های ارتباطی متفاوتی استفاده می کنند که معمولاً نسبت به یک شبکه محلی از قابلیت اطمینان کمتری برخوردار هستند.
DCS از یک کنترل حلقه بسته در ایستگاه کنترل فرآیند و در واحدهای پایانه راه دور استفاده می کند. اما در مورد SCADA چنین کنترل حلقه بسته وجود ندارد.
DCS چه حالت فرآیندی است؟
DCS حالت فرآیندی است که در آن فرآیند را به طور منظم اسکن می کند و نتایج را حتی در صورت تقاضا به اپراتور نمایش می دهد. از سوی دیگر، SCADA رویداد محور است، جایی که فرآیند را به‌طور متوالی اسکن نمی‌کند، اما منتظر رویدادی است که باعث می‌شود پارامتر فرآیند اقدامات خاصی را آغاز کند.
بنابراین، DCS یک پایگاه داده از مقادیر پارامترهای فرآیند را همانطور که همیشه در ارتباط با منبع داده خود نگه می دارد، نگه می دارد، در حالی که SCADA یک پایگاه داده را برای ثبت مقادیر پارامتر نگهداری می کند که می تواند بیشتر برای نمایش اپراتور بازیابی شود و این باعث می شود SCADA آخرین مورد ضبط شده را ارائه دهد. اگر ایستگاه پایه نتواند مقادیر جدید را از یک مکان راه دور دریافت کند.
از نظر کاربردها، DCS برای نصب در یک منطقه محدود، مانند یک کارخانه یا کارخانه واحد و برای فرآیندهای کنترل پیچیده استفاده می شود. برخی از حوزه های کاربردی DCS شامل کارخانه های شیمیایی، ایستگاه های تولید برق، تولید دارو، صنایع نفت و گاز و غیره می باشد. برنامه های کاربردی و صنایع کوچک تولیدی و فرآیندی.
انتخاب بین DCS و SCADA
علی‌رغم این تفاوت‌های عمده، سیستم‌های DCS و SCADA مدرن با امکانات استاندارد مشترک در هنگام کار با اتوماسیون کارخانه ارائه می‌شوند. با این حال، انتخاب بین DCS و SCADA به نیاز مشتری و برنامه نهایی آن بستگی دارد. اما اگر مشتری بین این دو انتخاب کند، با به دست آوردن نیازهای برابر از فرآیند، DCS انتخاب اقتصادی است زیرا به کاهش هزینه و ارائه کنترل بهتر کمک می کند.
سیستم های DCS از فروشندگان مختلف
برخی از سیستم های سیستم کنترل توزیع‌شده موجود عبارتند از
ABB- Freelance 800F و 800 xA
Yokogawa- Centum CS 3000 و 1000
Honeywell-TDC 3000
امرسون- دلتا V اتوماسیون دیجیتال
زیمنس – Simatic PCS 7
آلن- بردلی- نت لینکس
مهندسان و خوانندگان عزیز، امیدواریم داده های ارائه شده برای شما آموزنده باشد. اگر با سیستم کنترل توزیع‌شده یا هر فن‌آوری اتوماسیون دیگری کار می‌کنید یا ممکن است چیزی در مورد DCS می‌دانید، لطفاً تجربه خود را با DCS در بخش نظرات زیر به اشتراک بگذارید زیرا برای خوانندگان مفید است. ما دوست داریم از شما بشنویم. همانطور که برای خوانندگان مفید است. ما دوست داریم از شما بشنویم.
