معرفی" DCS " و مزایای آن

DCS چیست ؟

DCS مخفف Disterbuted Control System یعنی سیستم کنترل توزیع شده هست ، همینطور که از اسمش پیداست سیستمی هست که در اون کنترل فرایند توریع شده هست این کنترلی که ازش صحبت میکنم بر پایه PLC هست ، معمولاً در یک سیستم کنترلی توزیع شده چند تا CPU داریم که از طریق یک شبکه صنعتی با هم در ارتباط هستند هر CPU کار خاصی رو انجام میده و یک CPU بر کل فرایند و کار CPU های دیگه نظارت میکنه ( ممکنه این CPU ها به PLC مستقلی متعلق باشند و یا پردازنده کمکی جهت پردازشگر اصلی باشند در ضمن پردازشکر مرکزی هم ممکنه بیشتر از یکی باشه ) . پس تا اینجا فکر کنم مشخص شده باشه که DCS یک نوع روش پیاده سازی سیستم کنترلی هست ، یعنی اینجوری نیست که شما برید بازار بگید آقا یک DCS میخواستم ! میتونید DCS رو مثل یک کامپیوتر خانگی نصور کنید که قطعات مختلفش مثل رم و سی پی یو و مادر برد و... رو جداگانه از بازار میخرید و روی هم سوار می کنید و در اخر یک کامپیوتر دارید ، دی سی اس هم همینطوره ، شما پی ال سی و سخت افزار های مختلف رو میخرید و ارتباط بین اونها رو برقرار میکنید و در اخریک سیستم دی سی اس دارید ، از همینجا میشه فهمید که دی سی اس هم معماری و پیاده سازی های مختلفی داره !

- کجاها کاربرد داره؟ 
 معمولاً جاهایی از DCS استفاده میشه که

1. ورودی و خروجی خیلی زیاد داشته باشیم
2. امنیت فرایند برامون مهم باشه
3.   فرایند بزرگ و پیچیده باشه

و معمولاً در صنایع نفت و گاز ، خودرو سازی ، کارخانجات ، نیروگاهها و پستهای برق ،و... استفاده میشه . دی سی اس سیستم گرون قیمتی هست که بین 500 میلیون تا چندین میلیارد تومان قیمت داره

همانگونه که از اسم آن مشخص است ، یک سیستم کنترل توزیع شده سیستمی است که عملکرد آن بجای اینکه در یک نقطه متمرکز باشد، پراکنده است .

تعریف DCS

همانگونه که از اسم آن مشخص است ، یک سیستم کنترل توزیع شده سیستمی است که عملکرد آن بجای اینکه در یک نقطه متمرکز باشد، پراکنده است . یک سیستم کنترل توزیع شده از تعدادی ماجولهای میکروپروسسوری تشکیل شده که با همکاری یکدیگر عملکرد یک سیستم را کنترل مونیتور میکند. کامپیوتر ها با توجه به جغرافیای محل پخش می شوند، بنابر این این مسئله باعث کاهش هزینه نصب و سیم کشی می گردد.

DCS یک شبکه کامپیوتری است اما با شبکه های کامپیوتری خانگی و یا اداری موجود تفاوت دارد چرا که در DCS مسئله پردازش بلادرنگ مطرح می باشد مخالف آنچه در پردازشهای دسته ای در کامپیوترهای اداری یا خانگی دیده می شود. تفاوت دو روش پردازش در نحوۀ اجرای برنامه های آنهاست . در کامپیوترهای معمول نحوۀ پردازش بدینگونه می باشد که در یک زمان تنها یک برنامه منفرد اجرا می گردد بطوریکه این برنامه با یک سری داده های ثابت و مشخص شروع به محاسبات پیچیده نموده و در نهایت به نتایج مطلوب ختم می گردد و هنگامی که پردازش تمام شد برنامه متوقف شده تا برای اجرای مجدد با یک سری داده جدید فرمان بگیرد.

در روش پردازش « بلادرنگ » نیز پردازش با یک سری داده های ثابت شروع می شود، با این تفاوت که اجرای همان برنامه بطور مداوم ( چندین بار در ثانیه ) تکرار شده و داده ها را با توجه به داده های مرحله قبل تازه می گرداند. بعنوان مثال از یک عملکرد بلادرنگ می توان از همان کنترل اتوماتیک سرعت ماشین نام برد. کنترل با داده ثابت سرعت مطلوب شروع شده و در هر مرحله سرعت ماشین نمونه برداری می شود و با توجه به اختلاف آن با سرعت مطلوب ، سیگنالهای کنترلی مبنی بر باز یا بسته شدن دریچه بنزین اعمال می کردند.

یک کنترلر DCS نیز به همین طریق عمل می کند، یعنی بطور مداوم از صدها و شاید هزار سیستم تحت کنترل نمونه برداری کرده و محاسباتی را بر مبنای یک طرح مشخص برای سیستمهای مربوطه تکرار می کند. داده هایی که از محیط دریافت می شود را می توان به دو گروه تقسیم کرد :

داده های دریافتی سیستم DCS ( دو گروه اصلی )

الف – داده های آنالوگ : این داده بطور پیوسته تغییر می کنند و از طریق حلقه های کنترلی نرم افزاری که بنا به نیاز ممکن است شامل کنترلرهای نسبی ، Lead Lag یا PID باشد آنالیز شده و سیگنالهای خروجی مناسب صادر می شود.

ب – داده های گسسته : کارکردن با این داده ها ساده تر بوده وبا توجه به سیگنالهای دریافتی و روابط منطقی عاملی را قطع یا وصل می کند. برای دریافت داده ها از محیط DCS نیز مانند تمام کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی به یک سری المانها ، نظیر دماسنج ؛ فشار سنج ؛ آمپرمتر ، تجزیه کننده ها و غیره احتیاج می باشد. مقادیر المانها به سیگنالهای الکتریکی تبدیل شده و DCS آنها را خوانده و به دیجیتال تبدیل می کند. داده های بدست آمده در موارد زیر استفاده می شوند:
- حلقه های کنترلی ( فیدبک ها ) جهت کنترل آنالوگ
- اجرای برنامه های منطقی جهت صدور دستورالعمل های قطع و وصل
- نمایش مقادیر روی صفحه مونیتور
- تهیه و گزارش از وضعیت سیستم بصورت کپی سخت افزاری و غیره
- اعلام خط در وضعیت نامناسب سیستم تحت کنترل و بسیاری از عملیات های دیگر که متناظر با نوع سیستم قابل تعریف است.

اجزاء DCS
تقریبا ً هر شرکتی که PLC می سازه یه سیستم DCS مخصوص به خودش رو هم داره ، اما تو ایران بعلت تحریم و سایر مسایل DCS شرکت زیمنس کاربرد بیشتری داره داره که ما هم مبنا رو بر روی همین DCS می گذاریم اما یه دی سی اس رو میشه از دو جهت بررسی کرد
 الف) سخت افزار
 ب) نرم افزار
الف ) سخت افزار رو میشه به بخشهای زیر تقسیم کرد
1-      PLC
2-      شبکه صنعتی
3-      نحوه شبکه بندی
پس ابتدا به بررسی کلی ساختار یه PLC می پردازیم :
PLC یا programmable logic control در ابتدا برای ساده سازی تابلوهای مدار فرمان برق ایجاد شد و سپس توسعه پیدا کرد ، یک PLC شامل یک تعداد ورودی خروجی ، حافظه و CPU هست . بسته به نوع ارتباط این 3 قسمت 2 نوع سی پی یو داریم
کامپکت و ماژولار (قدرت و توانایی هرPLC با توجه به سی پی یو اون تعریف میشه )
در PLC های کامپکت وقتی PLC رو میخرید هر سه قسمت CPU ، حافظه و ) I/O ورودی خروجی ) همراه PLC هست، مثل سی پی یو S7-313C علامت C نشون دهنده کامپکت بودن پی ال سی هست البته میشه I/O رو در مدل کامپکت افزایش داد. گفتم که CPU مهمترین بخش یه PLC هست و کامپکت بودن سی پی یو یعنی سی پی یو ارزون هست و برای کارهای ساده بکار میره پس برای DCS ما از CPUی ماژولار استفاده میکنیم .
کلاٌ زیمنیس در سریS7  دو مدل سی پی یو ارائه میده 300 و 400   ، برای DCS ها بیشتر از سری 400 استفاده میشه مثل CPU-S7-414H علامت اخر سی پی سو ها به این معناست :
H: Hot - : سی پی یو ای که این پسوند رو داره میگه میشه در هنگام کار اون رو Program کرد ( در پی ال سی برنامه نوشته شده رواصطلاحاً داخل سی پی یو می ریزند و به این عمل Download میگن و خوندن برنامه از سی پی یو رو هم اپلود میگن ! درست عکس کامپیوتر! – در حقیقت برنامه داخل حافظه برنامه که روی ماژول CPU قرار داره ریخته میشه .)
F: Fail-Safe – مصون در برابر خطا ، سی پی یو های دارای این پسوند میتونند از ماژولهای خاصی بنام Fail-Safe پشیتبانی کنند
F/FH : یعنی CPU هر دو قابیلت فوق رو باهم داره
2DP : یعنی سی پی یو از Profibus-DP پشتیبانی میکنه و نیازی به خرید ماژول پروفی باس نداریم
C:Compact – کامپکت ، یعنی حافظه و  تعداد محدودی I/O همراه سی پی یو هست ، این نوع سی پی یو ها قدرت سخت افزاری کمتری نسبت به سی پسی و های ماژولار دارند ( یعنی تعداد وقفه کمتری دارند ، تایمر و کانتر شون هم کمتره و I/O های محدودتری رو پشتیبانی میکنند ) اما ارزونتر هستند.
 در یک DCS با توجه به ماژولار بودن CPU عملاٌ مشکل محدود بودن I/O ها رو نداریم :
-          بررسی ماژولهای CPU سری 400   زیمنس :
FM: Function module  ماژولهایی هستند که کارهای خاصی رو انجام میدن مثلاٌ یه ماژول PID کنترلر میتونه بدون نیاز به نوشتن برنامه  PID کنترلر در پی ال سی یک  PID کنترلر رو برای ما فراهم کنه و...
SM: Signal module – کلیه کارتهای ورودی خروجی PLC رو میگن که 4 دسته هستند AI یا Analog Input , AO یا Analog Output و DI یا Digital Input ,  DO یا Digital Output  هر کارت I/O ( همون SM ماژول) نهایتاً به ما 32 تا I/O  میده
CP: Communication Processors پردازنده ارتباطی که برای ارتباط PLC  با شبکه صنعتی مثل اترنت یا پروفی باس استفاده میشه
IM: interface module یا ماژول واسط که برای ارتباط رک مرکزی با سایر رک ها بکار میره ، اما رک چی هست ؟
در سری 400 زیمنس تمام ماژولها (CPU, IO , CP و... ) روی یه برد بنام رک سوار میشن ،این رک یه سری اسلات یا شکاف داره که هر ماژول روی یه شکاف مخصوص از اون قرار میگیره مثلاٌ CPU حتماٌ باید باید روی اسلات دوم بشینه و .. هر رک تعداد محدودی ماژول رو می پذیره مثلاً 8 الی 14 تا گفتیم که هر کارت I/O به ما در نهایت 32 تا I/O میده حالا اگه من مثلاً 1000 تا ورودی خروجی داشته باشم چیکار باید بکنم ؟
در این حالت میان از یه سری رک دیگه بنام رک توسعه استفاده میکنند که روشون فقط و فقط SM و FM  و IM میتونه بشینه ، نه CPU  به این رکها میگن رک توسعه ، رکی که توش CPU قرار داره رک مرکزی نام داره ارتباط رک مرکزی با رک توسعه از طریق ماژولهای IM برقرار میشه یعنی تو رک  مرکزی و همینطور سایر رکها یک ماژول IM میذاریم و اونها رو به هم متصل میکنیم (از طریق شبکه ) رکها مدلهای مختلفی مثل CR ، ER ، UR دارند که برای جلوگیری از پیچیده شدن ازشون میگذرم
یک ماژول دیگه که باقی مونده منبع تعذیه یا PS هست . البته ماژولهای دیگه ای مثل fail/safe و protector هم هست که بعد در مورد آنها توضیح خواهم داد.

مزایای DCS نسبت به سیستم های قدیمی:

- پروژه های بزرگ را می توان به پروسه های کوچکتر تقسیم کرد و کنترل هر قسمت آنرا به یک ماجول DCS سپرد.

- روش کنترل مرکزی که کنترل تمام پروسه بوسیلۀ یک کامپیوتر مرکزی انجام می شود مستلزم داشتن کامپیوتری بزرگ و تجهیزات پیشرفته می باشد که قیمت این سیستمها بسیار زیاد است ، اما در کنترل DCS سخت افزار ماجولها از همان میکروکامپیوترهای معمولی تشکیل شده است.

- نرم افزارهای DCS بخاطر استفاده از میکروکامپیوترها و تقسیم بندی کنترل ، از نرم افزارهای یک کامپیوتر بزرگ در کنترل مرکزی بسیار ارزانتر تمام می شوند.

- برخلاف سیستم متمرکز، در DCS به علت تقسیم بندی کنترل اگر یکی از ماجولها خراب شودکنترل بر روی قسمتهای دیگر به قوت خود باقی می ماند.(Fault isolation )

- سیستمهای DCS دارای قابلیت گسترش هستند. در سیستم کنترل مرکزی گسترش سیستم مستلزم تعویض پردازنده مرکزی و خرید یک سیستم پیشرفته تر است، اما در DCS می توان با اضافه کردن ماجولهای کنترلی بیشتر کنترل را گسترش داد.

- برنامه نویسی DCS در محیط های سطح بالا انجام می شود. این برخلاف کنترلرهای PLC می باشد که نوشتن برنامه در آنها نیازمند آشنائی با سیستمهای میکروپروسسوری می باشد.

- همانطور که پیشتر آمد DCS می تواند از ماجولهای کنترلی بسیاری تشکیل شده باشد که می توانند بطور مستقل و همزمان عمل کنند، بعلاوه دارای قابلیت ارتباط سریع بین ماجولهای خویش است که این ارتباط از طریق خطوط ارتباطی با نام بزرگراههای
داده های بلادرنگ امکان پذیر می گردد.

حجم زیاد اطلاعات و سرعت بالای آن از خصوصیات بارز DCS می باشد که نتیجه آن دقت بیشتر در داده های دریافتی و سرعت بالای محاسبات است. بدیهی است که پرسنل مربوطه می تواند با توجه به این نتایج تصمیمات مناسبتری را اتخاذ کند. لازم به ذکر است که مهمترین پیشرفت DCS مرهون صنعت کامپیوتر در هوش مصنوعی بخصوص سیستمهای خبره می باشد.

ساختمان DCS:

با توجه به تنوع DCS های ارائه شده توسط شرکتهای مختلف ، می توان دریافت که همۀ آنها در حالت کلی در چند قسمت با هم وجه اشتراک دارند. اجزای اصلی یک DCS عبارتند از :

    ماژولهای ورودی – خروجی ( ماجول I/O )
    باس ورودی – خروجی محلی
    ماژولهای کنترلر
    ماژولهای ارتباطی

تکنولوژی های جدیدتر از دی سی اس هم موجوده ؟
بله ، در DCS ما میام یه فرایند پیچیده رو تکه تکه میکنیم و نظارت و اجرا هر قسمت رو به یک CPU یا PLC میدیم و یک یا چند CPUی مرکزی هم میذاریم که بر کار تک تک CPU ها و کل فرایند نظارت میکنه . حالا سیستم جدید تری اومده بنام FCS یا  FeildBus Control System فیلدباس کنترل میگه بجای اینکه ما چندین CPU کنترلی داشته باشیم بیایم اجزای کنترلی رو هوشمند کنیم تا اینجوری فقط یک کنترل مرکزی داشته باشیم که در ارتباط با اجزا هوشمند باشه اینجور خود اجزا میفهمند که باید چیکار کنند مثلاً در نظر بگیرید یه شیر کنترل فشار داریم که قراره فشار یک خط لوله رو از طریق یک سنسور فشاری که  کنترل کنه بطوری که فشار مثلاً روی 80 بار باقی بمونه ، در سیستم دی سی اس به این صورت عمل میکنیم 2 تا سیستم مربوط به خروجی انالوگ سنسور فشار متصل به لوله رو میکشیم میاریم وصل میکنم به ورودی  تو اتاق کنترل دو تا سیم هم از خروجی فرمان از اتاق کنترل میکشیم تا شیر برقی مربوطه فشار بالاتر از 80 که رسید فرمان بازشدن به شیر از طرف اتاق کنترل ارسال میشه و زیر 80 بار هم فرمان بسته شدن از طرف اتاق کنترل صادر میشه . اما FCS میگه بیایم و شیر رو هوشمند انتخاب کنیم بطوری که قابل برنامه ریزی باشه اینجوری دوتا سیم میکشیم از سنسور به شیر که کنار هم هستند و فقط دوتا سیم از شیر میکشیم به اتاق کنترل اونهم برای نظارت اینجا شیر چون هوشمنده میفهمه کجا باید باز و بسته بشه و اولاً سیم کشی ما کمتر میشه دوماً بار پردازشی CPU کمتر میشه سوماً نیازی به پردازنده های دیگه نداریم و سیستم خیلی ساده تر میشه.
چرا از FCS با وجود مزایایی که داره کمتر از  DCS استفاده میشه ؟
در حال حاضر شرکت های مختلفی بعنوان مجری FCS در حال فعالیت هستند که بعنوان نمونه یکی از این شرکت ها ,شرکت برزیلی SMAR هست، FCS علیرغم مزایای زیاد مشکلاتی هم داره که موجب کاربرد کم اون شده

1. امکان پیاده سازی سیستم پیشتیبان یا Redudancy رو نداره
2.   اجزای کنترلی رو پیچیده میکنه
3. توابع و کتابخانه های موجود برای اون به گستردگی DCS نیستند
   
   آینده FCS ؟

فکر میکنم که FCS طی یک بازه زمانی مشخص بایستی جایگزین DCS میشه اما فعلاً خیلی جاها بعلت مشکلات گفته شده از DCS استفاده می کنند و برخی جاها مثل پتروشیمی مروارید بصورت ترکیبی (70% فیلد کنترل و 30% دی سی اس) استفاده میشه