آنچه درباره DCS باید بدانید!

سیستم کنترل توزیع شده، DCS چیست؟

سیستم کنترل توزیع شده (DCS) یک سیستم کنترل کامپیوتری پیچیده برای یک فرآیند یا کارخانه است که برای کنترل برنامه های پیچیده، بزرگ و جغرافیایی توزیع شده استفاده می شود. در این سیستم، کنترل‌کننده‌های مستقل در کل منطقه کارخانه توزیع می‌شوند، اما هیچ کنترل نظارتی اپراتور مرکزی وجود ندارد. یک شبکه ارتباطی با سرعت بالا، این کنترلرهای توزیع شده را به دستگاه های صحرایی و رایانه های شخصی عامل متصل می کند. با بومی سازی عملکردهای کنترل در نزدیکی کارخانه فرآیند با نظارت و نظارت از راه دور، مفهوم سیستم کنترل توزیع شده (DCS) قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد و هزینه های نصب را کاهش می دهد. در زمان های اخیر، مفهوم DCS به طور گسترده در کارخانه های فرآیند پیوسته که نیاز به قابلیت اطمینان و امنیت بالایی دارند، استفاده می شود. سیستم کنترل پراکنده همچنین به طور گسترده در بسیاری از زمینه های صنعتی دیگر مانند کارخانه های شیمیایی، کارخانه های فرآیند متالورژی، واحدهای پردازش مواد غذایی، سیستم های مدیریت آب، نیروگاه های هسته ای، صنایع خودروسازی، کارخانه های پتروشیمی و غیره استفاده می شود.

DCS سیستم کنترلی است که به طور مداوم فرآیند را در طول عملیات عادی کارخانه نظارت و کنترل می کند و ممکن است سه نوع عملکرد ایمنی مختلف را ارائه دهد:

• عمل کنترل مداوم، نگه داشتن فرآیند در مقادیر تعیین شده در محدوده عملیاتی معمولی. این به جلوگیری از پیشرفت یک سناریوی غیرطبیعی پس از یک رویداد آغازین کمک می کند.
• گشت و گذارهای فرآیند فراتر از مرزهای عادی را شناسایی کنید و این اطلاعات را (معمولاً به عنوان پیام های هشدار) در اختیار اپراتور قرار دهید که انتظار می رود یک اقدام اصلاحی خاص (کنترل فرآیند یا خاموش کردن) انجام دهد.
• کنترل‌کننده‌های حالت (حل‌کننده منطق یا رله‌های کنترل)، به‌جای تلاش برای بازگرداندن فرآیند به درون پاکت عملیاتی معمولی، به‌طور خودکار برای قطع فرآیند اقدام کنند.

معماری سیستم کنترل توزیع شده

سیستم کنترل توزیع شده دارای سه ویژگی مهم است. اولین کیفیت این است که توابع کنترلی مختلف را در سیستم‌های زیر مجموعه نسبتاً کوچک توزیع می‌کند. این مجموعه های سیستم فرعی نیمه مستقل هستند و یک گذرگاه ارتباطی با سرعت بالا آنها را به هم متصل می کند. عملکردهایی مانند کنترل فرآیند، نظارت بر فرآیند، اکتساب داده، ارائه داده، گزارش اطلاعات، ذخیره سازی، بازیابی اطلاعات و غیره توسط این مجموعه انجام می شود. اتوماسیون فرآیند تولید با ادغام استراتژی های کنترل پیشرفته دومین کیفیت مهم DCS است. سومین ویژگی، چیدمان صحیح اشیا به عنوان یک سیستم است. سیستم کنترل پراکنده، با سازماندهی کل ساختار کنترل به عنوان یک سیستم اتوماسیون واحد، از طریق ساختار فرماندهی مناسب و جریان اطلاعات یکپارچه می شود. عناصر اساسی یک DCS شامل ایستگاه کاری مهندسی، واحد کنترل فرآیند یا واحد کنترل محلی، ایستگاه عملیاتی یا HMI، دستگاه های هوشمند و سیستم ارتباطی است.

اصل کار سیستم DCS

سنسورها در یک سیستم کنترل DCS اطلاعات فرآیند را حس می کنند و سپس آن را به ماژول های I/O محلی ارسال می کنند. محرک های متصل به این ماژول ها پارامترهای فرآیند را کنترل می کنند. اطلاعات جمع آوری شده از طریق فیلد باس برای واحد کنترل فرآیند استفاده می شود. این اطلاعات بیشتر پردازش شده و برای تولید نتایج خروجی تجزیه و تحلیل می شود. در این فرآیند از منطق کنترل پیاده سازی شده در کنترلر استفاده می شود. سپس اقدامات کنترلی مطابق نتایج خروجی از طریق فیلد باس به دستگاه های محرک منتقل می شود. در ایستگاه مهندسی، پیکربندی، راه اندازی و اجرای منطق کنترل DCS انجام می شود.

عناصر اساسی سیستم کنترل توزیع شده

پس از دریافت اطلاعات از اپراتور، DCS به طور مداوم با فرآیندها تعامل دارد. سیستم کنترل توزیع شده همچنین با استفاده از کنترل دستی اپراتور باز و بسته شدن شیرها را تسهیل می کند. برای دستیابی به همه این توابع، DCS از عناصر مختلفی مانند

1. کامپیوتر مهندسی یا کنترلر یا ایستگاه کاری مهندسی
2. کنترل کننده توزیع شده یا واحد کنترل محلی
3. ایستگاه عملیاتی یا HMI
4. رسانه و پروتکل سیستم ارتباطی
5. دستگاه های هوشمند یا هوشمند

خرابی قطعات DCS

DCS از بسیاری از قطعات سخت افزاری و نرم افزاری تشکیل شده است و برای دسترسی و نمایش اطلاعات فرآیند به شدت به تجهیزات ارتباطی متکی است. توابع کنترل از اجزای بسیاری تشکیل شده است که ممکن است از کار بیفتند. نمونه هایی از خرابی عملکرد کنترل عبارتند از:

• سنسور میدان از کار می افتد
• تنظیم ناکافی حلقه کنترل
• ورودی/خروجی ها (I/O) قادر به تغییر حالت نیستند
• پردازنده اصلی پردازش اطلاعات را متوقف می کند
• اکتساب ناکافی یا کند داده (به عنوان مثال، پاسخ کند در شرایط ناراحت)
• پوزیشنر شکست می خورد
• عنصر کنترل نهایی خراب می شود
• از دست دادن اطلاعات HMI اپراتور
• اختلال در ارتباط با دستگاه های میدانی.

حلقه کنترل DCS یک مانع نسبتا ضعیف است، همانطور که معمولا وجود دارد

• افزونگی کمی در اجزاء
• قابلیت تست داخلی محدود و
• امنیت محدود در برابر تغییرات غیرمجاز در منطق برنامه داخلی.

ترتیبات امنیتی محدود به ویژه هنگام در نظر گرفتن اثربخشی DCS مهم است. خطای انسانی (در اصلاح منطق، دور زدن آلارم‌ها و اینترلاک‌ها و غیره) می‌تواند عملکرد پیش‌بینی‌شده سیستم‌های DCS را در صورتی که امنیت کافی نباشد، به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد.

ویژگی های سیستم کنترل توزیع شده

ویژگی های مهم DCS وجود دارد که در زیر ذکر شده است:

• DCS می تواند فرآیندهای پیچیده را با استفاده از کنترلرهای اختصاصی مدیریت کند.
• این ویژگی افزونگی سیستم را فراهم می کند که قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می دهد.
• برای مقابله با سیستم‌های بزرگ و پیچیده، DCS الگوریتم‌های زیادی، توابع از پیش آزمایش‌شده و از پیش تعریف‌شده، کتابخانه‌های برنامه‌های کاربردی استانداردتر و غیره را ارائه می‌دهد.
• سیستم کنترل توزیع شده HMI بسیار پیچیده ای را برای کنترل و نظارت بر فرآیندها فراهم می کند.
• بسته به تعداد ورودی/خروجی، ساختار CDS مقیاس پذیر است.
• همچنین یک سیستم طراحی DCS سیستم بسیار ایمن را در سطوح مختلف عملیات ارائه می دهد.

تفاوت DCS و PLC

DCS مخفف “Distributed Control System” است.

DCSها برای کنترل فرآیندها طراحی شده اند، نه عملیات گسسته. به این ترتیب، تعداد زیادی از ورودی ها و خروجی ها آنالوگ هستند مانند سیگنال 4-20mA یا سیگنال 0-10V. در معنای ادبی، سیستم کنترل توزیع شده (DCS) به یک سیستم کنترل معمولاً یک فرآیند یا سیستم تولیدی اشاره دارد که در آن عناصر کنترل کننده در مکان مرکزی نیستند (مانند مغز) اما در سراسر سیستم با هر جزء فرعی توزیع شده اند. سیستمی که توسط یک یا چند کنترلر کنترل می شود. کارخانه‌های فرآیند دارای سری طولانی از کنترل‌کننده‌های تک حلقه (کنترل‌کننده‌های آنالوگ/PID) بودند.

 PLC مخفف “Programmable Logic Controller” است.

از لحاظ تاریخی یک PLC در کنترل گسسته فرآیندهای تولید بود. منطق گسسته کامل قبلاً با مدار رله پیاده سازی می شد. بیشتر ورودی ها و خروجی ها برای کنترل گسسته باینری هستند، به این معنی که فقط دو حالت دارند: روشن و خاموش. ویژگی ها و ویژگی هایی که سیستم PLC را از DCS متمایز می کند چیست؟ ادعاها و ادعاهای متقابلی از طرف سازندگان مختلف مبنی بر اینکه سیستم آنها DCS یا PLC است وجود داشته است. این موضوع برای مدت طولانی مورد بحث باقی مانده است، و به ویژه امروزه که ما وارد دوره جدیدی از سیستم های کنترل پراکنده هیبریدی شده ایم، انتخاب و تمایز مزایا و معایب سیستم های مختلف به طور فزاینده ای دشوار شده است.

 شباهت ها و تفاوت های کمی وجود دارد که در اینجا می خواهم به آنها اشاره کنم:

1) DCS به گونه ای طراحی شده یا در دسترس کاربر قرار می گیرد که فقط باید پیکربندی در قالب یک بلوک عملکردی انجام شود، برخلاف PLC، که در آن برنامه نویسی کامل باید با استفاده از هر یک از زبان های مختلف موجود در سیستم اجرا شود. در حال حاضر، بلوک های کاربردی نیز در سیستم های PLC موجود است، که واقعا آن را با DCS قابل مقایسه می کند.

2) هنگامی که DCS در بازار شروع به ظهور کرد، ایده این بود که DCS را با مجموعه ای از بسته های سخت افزاری و نرم افزاری از جمله برای رابط انسانی، که برای اتوماسیون کامل کارخانه ضروری است، عرضه کنیم، بنابراین پیکربندی یک نقطه را از نظر پایگاه داده و ارتباطات ممکن می کند. عمومی.

3) بسیاری از DCS به گونه ای طراحی شده اند که می توان زمان چرخه را برای هر بلوک عملکردی پیکربندی کرد. بنابراین سیستم DCS از زمان بندی چرخه بلوک های عملکردی که واحدهای اجرایی اصلی هستند مراقبت می کند.

این یکی از دلایلی است که زمان اسکن کلی DCS نسبتاً بیشتر از سیستم PLC است. این عملکرد در سیستم(های) PLC نیز به شکلی معرفی شده است.

4) یک DCS ذاتاً دارای قابلیت پردازش چندگانه است و بنابراین باعث می شود عملکرد در سراسر یک شبکه توزیع شود.

در یک معماری معمولی DCS چند پردازنده (چند گره)، مهندس باید تلاش کمتری برای ارتباط بین پردازنده‌ها انجام دهد یا یکی از کنترل‌کننده‌ها می‌تواند به راحتی به برچسب(ها) از پایگاه داده دیگری دسترسی داشته باشد، یعنی ورودی های دیگر. FB در یک کنترلر می تواند خروجی FB کنترلر دیگر باشد. این در حال حاضر در PLC امکان پذیر است، اما باید تلاش های بیشتری انجام شود.

5) برنامه نویسی DCS حول پیکربندی بلوک های عملکردی متمرکز است و منطق گسسته در DCS با استفاده از FB ها پیاده سازی می شود، بنابراین DCS ذاتاً یک سیستم کنترل آنالوگ است (اگرچه برنامه ریزی نردبانی در برخی از DCS نیز امکان پذیر است).

6) PLC ها به دلیل معماری ساده، کوچک و ارزان تر و همچنین مهندسی (معمولاً برنامه RTU) به جای DCS بزرگ، هنوز در ایستگاه های RTU استفاده می شوند.

7) PLC از نظر ماهیت گسسته، انتخاب طبیعی سازنده و کاربر نهایی برای اعمال آن برای سیستم ایمنی بود. این امر منجر به تولید سیستم ایمنی تخصصی مطابق با گواهینامه SIL3 مطابق با ANSI / ISA 84.00.01-2004 شد.

امروزه چیزهای زیادی تغییر کرده است، تشخیص دو سیستم از نظر ویژگی های اصلی آن دشوار است. تفاوت بین این دو به دلیل استاندارد زبان برنامه نویسی / پیکربندی IEC-61131 تقریباً از بین رفته است. عملکرد PLC در طول سال ها تکامل یافته است و شامل کنترل رله متوالی، کنترل حرکت، کنترل فرآیند، سیستم های کنترل توزیع شده و شبکه می شود. با این حال، در مناطق صنعتی عمده و بازارهای ساختاری، استفاده از DCS برای کنترل فرآیند و سیستم مبتنی بر PLC برای کنترل ایمنی عملی است. شاید برای یک پایه نصب بزرگ مانند سیستم ورودی/خروجی بیش از 1000، هزینه نصب، افزودن و نگهداری به ازای هر ورودی/خروجی در مورد سیستم DCS کمتر باشد. اکنون، هزینه، کاربرد، یکپارچگی سیستم، قابلیت اطمینان، قابلیت نگهداری، ثبت تاریخی / آمار هوشمند و یادگیری / آموزش مهم تر است. اینکه چه میزان پشتیبانی از سوی فروشنده برای این عملیات در دسترس است، اکنون برای اپراتور بسیار مهم است. این منجر به «بسته‌های راه‌حل» توسط فروشندگان به مشتریانشان شده است، به‌جای اینکه صرفاً محصولات فردی را ارائه دهند. DCS یا PLC است، باید در یک بسته راه حل ارائه شود. عملکردهای بیشتر و بهبود یافته سیستم، این سیستم ها را پیچیده تر کرده است که نیاز به یکپارچگی قوی بین اپراتور/کاربر و سازنده دارد. تعداد کمی از فروشندگان نیز سیستم هیبریدی DCS / PLC را معرفی کردند یا سیستم مبتنی بر PLC خود را با ترکیب ویژگی های مشابه به DCS تبدیل کردند. فروشندگان DCS اکنون بسته هایی را برای بهینه سازی و مدیریت دارایی معرفی کرده اند که به طور یکپارچه با سیستم های آنها ادغام می شود. آیا سخت است که بگوییم کدام سیستم را انتخاب کنیم؟ همانطور که در بالا توضیح داده شد، از کاربری به کاربر دیگر متفاوت است. کاربر نهایی که باید تمام دانش و شجاعت را داشته باشد تا مسئولیت سیستم خود را به طور کامل به عهده بگیرد.

DCS در مقابل PLC

DCS مخفف سیستم کنترل توزیع شده است. DCS معمولاً کل فرآیند را پوشش می دهد و قادر است کل کارخانه را پوشش دهد. یک DCS یک یا چند PLC را با یک HMI ترکیب می کند و به انتگرال اجازه می دهد تا هر دو را با هم بسازد. این پروژه اغلب با در نظر گرفتن کل DCS توسعه می‌یابد، به طوری که تمام جنبه‌های سیستم با هم توسعه می‌یابند – به جای اینکه ابتدا PLC، سپس HMI، و سپس آلارم‌ها، مورخ و غیره توسعه داده شود.

یک DCS ترکیب PLC/HMI را می گیرد و چندین ویژگی دیگر را در یک بسته یکپارچه ترکیب می کند:

    سرورها و مشتریان سرورها داده‌های برچسب را از PLC(ها) جمع‌آوری می‌کنند، گرافیک را در بر می‌گیرند و هر دو را در اختیار مشتریان قرار می‌دهند تا اپراتورها از آنها استفاده کنند.

• سرورها، کنترل‌کننده‌ها و/یا شبکه‌های اضافی.
• زنگ هشدار و امنیت همزمان.
• ثبت داده های تاریخی و روند.
• مدیریت دسته ای

اکنون به دیگر تفاوت های عمده بین این دو می پردازیم. می‌خواهم این بخش را با بیان اینکه همیشه استثناهایی وجود دارد، مقدمه کنم. اینها تفاوت ها و مزیت های کلی هستند و به معنای استثنایی نیستند.

مزایای DCS چیست؟

علاوه بر ترکیب یک یا چند PLC با یک یا چند HMI، یک DCS ارائه می دهد:

    در دسترس بودن بالا از طریق:

• کنترلرها اضافی
• سرورهای سیستم اپراتور اضافی
• شبکه های اضافی
• روابط سرور و مشتری
• کاهش زمان مهندسی
• استارت آپ های کوتاه مدت
• حداقل عیب یابی ویژگی های ارائه شده

    کد کنترلر با در نظر گرفتن کل سیستم ساخته شده است. کد شامل تنظیماتی برای:

• گرافیک و صفحه های HMI.
• داده های تاریخی و روند.
• آلارم ها
• ویژگی های اپراتور و امنیت

    سازماندهی و سازگاری بهتری نسبت به ترکیب PLC/HMI دارد.

    به راحتی با:

• مدیریت دسته ای
• مورخ فرآیند.
• سرور OPC.

PLC در مقابل DCS: کدام یک برای عملیات شما مناسب است؟

در طول دهه گذشته، عملکرد سیستم های کنترل مختلف در حال ادغام بوده است. کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) اکنون قابلیت‌هایی دارند که زمانی فقط در سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCSs) یافت می‌شد، در حالی که یک DCS می‌تواند بسیاری از توابع را که قبلاً برای PLC مناسب‌تر تصور می‌شد، انجام دهد. بنابراین تفاوت بین دو رویکرد کنترلی چیست، خط تقسیم کجاست و آیا هنوز دلایلی برای انتخاب یکی بر دیگری وجود دارد؟

PLC ها به عنوان جایگزینی برای رله های چندگانه رشد کردند و در درجه اول برای کنترل فرآیندهای تولید گسسته و تجهیزات مستقل استفاده می شوند. اگر ادغام با تجهیزات دیگر مورد نیاز باشد، کاربر یا یکپارچه‌ساز سیستم او معمولاً باید این کار را انجام دهد و واسط‌های انسان و ماشین (HMI) و سایر دستگاه‌های کنترلی را در صورت نیاز متصل کند. از سوی دیگر، DCS برای جایگزینی کنترلرهای PID توسعه یافته است و اغلب در فرآیندهای تولید دسته ای و پیوسته، به ویژه آنهایی که به اقدامات کنترلی پیشرفته نیاز دارند، یافت می شود. فروشنده یکپارچه سازی سیستم را مدیریت می کند و HMI ها یکپارچه هستند. از آنجایی که کاربران اطلاعات تولید بیشتری را طلب کردند، PLC ها قدرت پردازشی پیدا کردند و شبکه سازی رایج شد. سیستم های کنترل مبتنی بر PLC شروع به کارکردن مانند یک مینی DCS کردند. در همان زمان، DCS هیبرید شد تا PLC ها و رایانه های شخصی را برای کنترل عملکردهای خاص و ارائه خدمات گزارش دهی ترکیب کند. DCS بر کل فرآیند نظارت دارد، دقیقاً مانند رهبر ارکستر. پروتکل ها، مانند OPC، تعاملات بین دو سیستم کنترل را کاهش داده اند. از آنجایی که PLC ها ارزان تر هستند و اکنون می توانند بسیار شبیه یک DCS عمل کنند، آیا منطقی نیست که همه چیز را به PLC تبدیل کنیم؟ پاسخ، مانند بسیاری از موارد در دنیای اتوماسیون، این است که به نیازهای برنامه شما بستگی دارد. در اینجا شش عامل کلیدی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود:

1. زمان پاسخگویی

PLC ها سریع هستند، بدون شک. زمان پاسخ دهی یک دهم ثانیه، PLC را به یک کنترل‌کننده ایده‌آل برای اقدامات تقریباً واقعی مانند خاموش کردن ایمنی یا کنترل شلیک تبدیل می‌کند. یک DCS برای پردازش داده‌ها بسیار طولانی‌تر طول می‌کشد، بنابراین زمانی که زمان پاسخ‌دهی حیاتی است، راه‌حل مناسبی نیست. در واقع سیستم های ایمنی نیاز به یک کنترل کننده جداگانه دارند.

2. مقیاس پذیری

یک PLC فقط می تواند چند هزار نقطه ورودی/خروجی یا کمتر را مدیریت کند. این فقط به اندازه یک DCS مقیاس پذیر نیست، که می تواند هزاران نقطه ورودی/خروجی را مدیریت کند و راحت تر تجهیزات جدید، پیشرفت های فرآیند و یکپارچه سازی داده ها را در خود جای دهد. اگر به کنترل فرآیند پیشرفته نیاز دارید، و یک مرکز بزرگ یا فرآیندی دارید که در یک منطقه جغرافیایی وسیع با هزاران نقطه ورودی/خروجی گسترده شده است، DCS منطقی تر است.

3. افزونگی

مشکل دیگر PLC ها افزونگی است. اگر به برق یا ورودی/خروجی مقاوم در برابر خطا نیاز دارید، سعی نکنید آن الزامات را به یک سیستم کنترل مبتنی بر PLC تحمیل کنید. شما فقط هزینه ها را به یک DCS یا بیشتر از آن افزایش خواهید داد.

4. پیچیدگی

ماهیت پیچیده بسیاری از فرآیندهای تولید مداوم، مانند نفت و گاز، تصفیه آب و فرآوری شیمیایی، همچنان به قابلیت‌های کنترل فرآیند پیشرفته DCS نیاز دارد. سایرین، مانند خمیر کاغذ و کاغذ، به سمت کنترل مبتنی بر PLC گرایش دارند.

5. تغییرات مکرر فرآیند

PLC ها به بهترین وجه برای یک فرآیند اختصاصی که اغلب تغییر نمی کند اعمال می شود. اگر فرآیند شما پیچیده است و نیاز به تنظیمات مکرر دارد یا باید حجم زیادی از داده ها را جمع آوری و تجزیه و تحلیل کند، DCS معمولاً راه حل بهتری است. البته، انعطاف پذیری بسیار یک سیستم DCS نیز آن را در برابر “دخالت” اپراتورهایی که می تواند باعث خاموش شدن کاذب شود، آسیب پذیرتر می کند.

6. پشتیبانی فروشنده

فروشندگان DCS معمولاً از کاربران می خواهند که آنها را برای ارائه خدمات یکپارچه سازی و اجرای تغییرات فرآیند به کار گیرند. یکپارچه سازهای سیستم عملکردهای مشابهی را برای سیستم های مبتنی بر PLC انجام می دهند. همچنین برای فروشندگان PLC معمول شده است که خدمات پشتیبانی را از طریق شبکه شرکای یکپارچه ساز سیستم خود ارائه دهند. کنترل فرآیند پیچیده تر شده است. برای هر فردی دشوار است که همه چیز را در مورد این سیستم های پیچیده بداند و نیاز به پشتیبانی فروشنده را افزایش می دهد. تولیدکنندگان همچنین به کاهش کارکنان کارخانه ادامه می دهند و نسلی از پرسنل کنترل فرآیند با تجربه شروع به بازنشستگی کرده اند. در نتیجه، کیفیت پشتیبانی به یک عامل مهم در انتخاب فروشنده تبدیل شده است.