سیستم کنترل توزیع شده یا  DCS (Distributed Control System)چیست؟ تا به حال این سوال برایتان پیش آمده است یا این اصطلاح به گوشتان خورده است و معنی آن را نمی‌دانسته‌اید؟ اگر پاسخ شما به این سوال‌ها بله است، نگرانی به خود راه ندهید چرا که برای دانستن این مفهوم تنها کافی است تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید. در این مقاله قصد داریم تا در خصوص سیستم DCS یا سیستم کنترل توزیع شده چیست؟ چه اجزایی دارد و .. به‌طور کامل صحبت کنیم.

سیستم DCS یا سیستم کنترل توزیع شده چیست؟

سیستم کنترل توزیع شده (Distributed Control System) یک سیستم اتوماسیون صنعتی است که شامل کامپیوترها، کنترل کننده‌ها و سنسورهای توزیع شده در کارخانه یا تسهیلات صنعتی می‌شود. این سیستم به کنترل و نظارت بر فرآیندهای تولیدی و صنعتی کمک می‌کند و از طریق یک شبکه ارتباطی این عناصر را به یکدیگر متصل می‌کند. وظیفه اصلی یک سیستم DCS این است که اطلاعات از تجهیزات مختلف دریافت کند، آنها را تحلیل کرده و اقدامات کنترلی مورد نیاز را انجام دهد. این عملکرد به مهندسان و اپراتورها امکان می‌دهد تا فرآیندها را به صورت دقیقتر و به صورت زمان واقعی کنترل کنند.

کاربردهای سیستم DCS کدامند؟

سیستم کنترل توزیع شده (DCS) در صنایع مختلف برای کنترل و مانیتورینگ فرآیندهای صنعتی و تولیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله مهمترین کاربردهای اصلی DCS می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• صنایع پتروشیمی و شیمیایی: DCS در صنایع پتروشیمی و شیمیایی برای کنترل و مانیتورینگ فرآیندهای تولید محصولات شیمیایی، پالایش نفت، تولید پلاستیک و مواد شیمیایی دیگر استفاده می‌شود.
• صنعت نفت و گاز: DCS در نفت‌خیزها، پالایشگاه‌ها، تسهیلات حفاری و انتقال نفت و گاز برای کنترل پروسه‌های استخراج، پالایش و توزیع نفت و گاز استفاده می‌شود.
• تولید برق: در نیروگاه‌های برق، سیستم DCS برای کنترل توربین‌ها، ژنراتورها و سایر تجهیزات تولید برق به کار می‌رود.
• تولید خودرو: در صنایع خودروسازی، DCS برای کنترل خطوط تولید و تجهیزات جوشکاری، رنگ‌آمیزی و… از آن استفاده می‌شود.
• صنایع مواد غذایی: DCS در تولید مواد غذایی مانند نان، پروتئین‌ها، نوشیدنی‌ها و کشاورزی برای کنترل فرآیندهای تولید و بسته‌بندی استفاده می‌شود.
• صنعت فولاد و متالورژی: DCS در کوره‌های ذوب فولاد، فرآیندهای تصفیه فلزات و تولید مواد فلزی مانند آلومینیوم و مس مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• کارخانجات آب و فاضلاب: DCS در تصفیه آب و مدیریت فاضلاب برای کنترل فرآیندهای تصفیه و توزیع آب و مدیریت فاضلاب به کار می‌رود.
• صنایع داروسازی: در تولید داروها و مواد شیمیایی پزشکی، DCS برای کنترل فرآیندهای تولید و کیفیت محصولات دارویی استفاده می‌شود.
• سایر صنایع صنعتی: DCS در صنایع مختلف دیگر نظیر صنایع کاغذ و چاپ، تولید مواد عایق و عایق‌سازی، تولید مواد ساختمانی و صنایع نساجی نیز استفاده می‌شود.

مزایای سیستم DCS چیست؟

• DCS از توپولوژی توزیع‌شده استفاده می‌کند که به انعطاف‌پذیری در اضافه کردن واحدهای جدید، تغییرات در فرآیند و توسعه‌پذیری سیستم کمک می‌کند. این ساختار از توانایی افزایش یا کاهش قابلیت‌های کنترلی برای تطبیق به نیازهای متغیر فرآیند بهره می‌برد.
• به صورت مؤثر داده‌های مختلف فرآیندی را از واحدهای مختلف جمع‌آوری و آنها را برای تصمیم‌گیری‌های سطح بالا و مدیریت فرآیند یکپارچه می‌کند. این ادغام داده باعث بهبود کارایی و کنترل موثر فرآیندها می‌شود.
• استفاده از سیستم DCS می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های بهره‌وری انرژی، مواد و نیروی انسانی شود. این سیستم امکاناتی مانند بهینه‌سازی فرآیندها و کاهش زمان ایستا، هماهنگی بهتر تجهیزات و کاهش خطای انسانی را فراهم می‌کند.
• سیستم DCS از راه دور مدیریت و نگهداری تجهیزات را تسهیل می‌کند. این امکان را فراهم می‌کند که تغییرات نرم‌افزاری از راه دور انجام شود و نیاز به توقف کل سیستم کاهش یابد. همچنین، اطلاعات دقیق در مورد وضعیت و عملکرد تجهیزات در دسترس قرار دارد که به تشخیص سریع مشکلات کمک می‌کند.
• از امکانات تحلیل داده و تشخیص خودکار برای شناسایی مشکلات و خطاهای ممکن در فرآیندها استفاده می‌کند. این امکانات به اپراتورها این امکان را می‌دهند تا به طور سریع واکنش نشان دهند و مشکلات را برطرف کنند.

ساختار اصلی سیستم DSC چگونه است؟

ساختار اصلی یک سیستم کنترل توزیع شده به طور عمده از مؤلفه‌های زیر تشکیل شده است:

ایستگاه کاری مهندس (Engineer Workstation)

ایستگاه کاری مهندس نیز به عنوان یکی از اجزای معماری سیستم کنترل توزیع شده در نظر گرفته می‌شود. این ایستگاه‌ها برای مهندسان و اپراتورها طراحی شده‌اند تا به آنها امکان مانیتورینگ، کنترل و مدیریت فرآیندها و تجهیزات را فراهم کنند. ایستگاه کاری مهندس معمولاً شامل نمایشگرهای گرافیکی پیشرفته، نرم‌افزار کنترل، واسط کاربری کاربرپسند و ابزارهای تحلیل داده مورد نیاز برای تصمیم‌گیری و مدیریت فرآیندها است. مهندسان می‌توانند از این ایستگاه‌ها برای تعیین وضعیت فرآیندها، اجرای تغییرات در تنظیمات کنترلی، تجزیه و تحلیل داده‌های فرآیندی و اتخاذ تصمیمات مرتبط با کنترل تولید استفاده کنند.

ایستگاه عملیاتی یا HMI

ایستگاه عملیاتی (Operational Station) یا همان HMI (Human-Machine Interface)) جزو اجزای اساسی سیستم کنترل توزیع شده (DCS) محسوب می‌شوند. این ایستگاه‌ها به عنوان واسط بین اپراتورها و سیستم DCS عمل می‌کنند و به اپراتورها امکان مانیتورینگ، کنترل، و مدیریت فرآیندها و تجهیزات را فراهم می‌کنند. هدف اصلی ایستگاه عملیاتی (HMI) این است که اطلاعات مرتبط با فرآیندها را به اپراتورها به صورت گرافیکی و مفهومی نمایش دهد تا آنها بتوانند وضعیت فرآیندها را در زمان واقعی مشاهده کرده و در صورت نیاز به تصمیمات کنترلی دستور دهند. این ایستگاه‌ها شامل نمایشگرهای لمسی، ابزارهای تعامل با کاربر، نرم‌افزارهای گرافیکی و ابزارهای نظارتی می‌شوند.

سنسورها (Sensors)

سنسورها (Sensors) از عناصر اصلی و بسیار حیاتی در سیستم کنترل توزیع شده  محسوب می‌شوند. سنسورها نقش بسیار مهمی در جمع‌آوری اطلاعات فیزیکی از محیط و فرآیندها و انتقال این اطلاعات به کنترل کننده‌ها برای انجام عملیات کنترلی دارند. در ادامه به برخی از مهمترین وظایف سنسورها در DCS اشاره شده است.

• سنسورها قادرند انواع اطلاعات فیزیکی مانند دما، فشار، جریان، سطح، ولتاژ، جرم و… را اندازه‌گیری کنند. بسته به نوع فرآیند و تجهیزات، از سنسورهای مختلفی استفاده می‌شود.
• سنسورها اطلاعات اندازه‌گیری شده را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سیگنال‌ها قابلیت انتقال آسان و پردازش در سیستم DCS را فراهم می‌کنند.
• اطلاعات الکتریکی از سنسورها به کنترل کننده‌های سیستم DCS منتقل می‌شود. این انتقال اطلاعات به وسیله واحدهای ورودی/خروجی و شبکه ارتباطی انجام می‌شود.
• داده‌هایی که از سنسورها جمع‌آوری می‌شود، به بهره‌وری و بهینه‌سازی فرآیندها کمک می‌کند. به طور معمول، کاهش هدررفت انرژی و مواد و افزایش کارایی از اهداف مورد توجه در صنایع است.

واحدهای ورودی و خروجی (I/O Units)

واحدهای ورودی و خروجی جزو عناصر اصلی در سیستم کنترل توزیع شده هستند. این واحدها نقش بسیار حیاتی در جمع‌آوری اطلاعات از سنسورها و ارسال دستورات کنترلی به تجهیزات دارند. واحدهای ورودی و خروجی در سیستم DCS از اهمیت بالایی برخوردارند چرا که به تبادل اطلاعات بین دنیای فیزیکی (سنسورها و تجهیزات) و دنیای دیجیتال (سیستم DCS و کنترل کننده‌ها) کمک می‌کنند. این تبادل اطلاعات امکان کنترل دقیق و مدیریت فرآیندها را فراهم می‌کند. از جمله مهمترین وظایف این واحد در سیستم DSC می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

واحدهای ورودی (Input Units):

• واحدهای ورودی وظیفه جمع‌آوری داده‌های اندازه‌گیری شده از سنسورها را بر عهده دارند. این داده‌ها می‌توانند شامل اطلاعات فیزیکی مانند دما، فشار، سطح، جریان و… باشند.
• این واحدها داده‌های اندازه‌گیری شده را از اطلاعات فیزیکی به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند تا بتوانند در سیستم DCS پردازش شوند.
• بعضی از واحدهای ورودی دارای قابلیت تصفیه و پیش‌پردازش داده‌ها هستند. این عملیات می‌تواند شامل تصفیه نویزها، کالیبراسیون سنسورها و انجام محاسبات اولیه باشد.

واحدهای خروجی (Output Units):

• واحدهای خروجی وظیفه ارسال دستورات کنترلی به تجهیزات مختلف مانند موتورها و تجهیزات اجرایی دیگر را بر عهده دارند. این دستورات بر اساس تصمیمات کنترلی که توسط کنترل کننده‌ها گرفته می‌شوند، ارسال می‌شوند.
• این واحدها سیگنال‌های الکتریکی از سیستم DCS را به انرژی فیزیکی مانند جریان برق یا فشار هیدرولیکی تبدیل می‌کنند تا تجهیزات مستقر در محیط تحت کنترل قرار گیرند.
• واحدهای خروجی معمولاً وظیفه نظارت بر تجهیزات و تجهیزات اجرایی دارند و از طریق بازخورد و نظارت اطلاعات فیدبک به سیستم DCS ارائه می‌دهند.

شبکه ارتباطی (Communication Network)

شبکه ارتباطی باعث ارتباط و تبادل داده‌ها و اطلاعات بین تمام اجزای سیستم DCS از جمله کنترل کننده‌ها، سنسورها، واحدهای ورودی/خروجی، ایستگاه‌های عملیاتی (HMI) و دیگر مؤلفه‌ها است. از جمله وظایف شبکه ارتباطی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شبکه ارتباطی وظیفه ارتباط داده‌ها و دستورات کنترلی میان تمام اجزاء DCS را بر عهده دارد. این ارتباط‌ها باید قابلیت انتقال داده‌ها با سرعت و دقت بالا را داشته باشند.
• معمولاً در یک DCS، از توپولوژی شبکه‌های اتصالی مختلفی مانند شبکه‌های اترنت، پروتکل‌های صنعتی مانند Profibus و Modbus یا شبکه‌های بی‌سیم استفاده می‌شود. انتخاب توپولوژی به واقعیت‌ها و نیازهای محیط خاص بستگی دارد.
• برای اطمینان از پایداری و قابلیت اطمینان سیستم DCS، شبکه ارتباطی باید دارای پشتیبانی از مدیریت خطا، ذخیره‌سازی داده‌ها در صورت قطعی شبکه و سیستم‌های امنیتی متناسب با نیازها باشد.
• این شبکه اطلاعات جمع‌آوری شده از سنسورها و دیگر اجزاء را به مرکز داده (Data Center) انتقال می‌دهد. این داده‌ها برای ذخیره‌سازی، تحلیل، و مدیریت تاریخچه‌ها و تصمیم‌گیری‌های آینده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• شبکه ارتباطی باید دارای امکانات امنیتی مناسبی باشد تا از حملات و دسترسی‌های غیرمجاز جلوگیری کند و اطلاعات محرمانه را محافظت کند.

مرکز داده (Data Center) و ذخیره‌سازی (Storage)

مرکز داده و ذخیره‌سازی  به طور مستقیم به عناصر اصلی سیستم کنترل توزیع شده (DCS) تعلق ندارند. این بخش برای جمع‌آوری، ذخیره‌سازی و مدیریت داده‌های مربوط به سیستم DCS به کار می‌رود.

نرم‌افزار کنترل (Control Software)

این نرم‌افزارها برای اجرای الگوریتم‌های کنترلی و منطقی در کنترل کننده‌ها استفاده می‌شوند. آنها به کنترل کننده‌ها دستورات کنترلی را ارسال می‌کنند. در کل، نرم‌افزار کنترل به عنوان مغز و عقل عملکردی در سیستم DCS دارد و به انجام کنترل توزیع شده و بهینه‌سازی فرآیندها کمک می‌کند. از طریق تحلیل داده‌ها، اتخاذ تصمیمات کنترلی و ارتباط با سایر اجزاء DCS، این نرم‌افزار انجام کارهای مرتبط با کنترل و نظارت در صنایع مختلف را ممکن می‌سازد.

سرورها (Servers)

سرورها برای مدیریت داده‌ها، امنیت سیستم و پشتیبانی از عملکرد سیستم DCS استفاده می‌شوند. سرورها به عنوان پلتفرم‌های محاسباتی مورد استفاده در DCS و سیستم‌های مشابه به کار می‌روند تا داده‌ها را پردازش کنند و نرم‌افزار کنترلی را اجرا کنند. این سرورها معمولاً برای اطمینان از پایداری و قابلیت اطمینان در مقابل قطعی شبکه و پشتیبانی از تجهیزات ذخیره‌سازی داده استفاده می‌شوند.

معماری سیستم کنترل توزیع شده چگونه است؟

معماری سیستم کنترل توزیع شده در واقعیت دارای 4+1 سطح است که در ادامه هر کدام از این سطوح به‌طور مختصر توضیح داده شده‌اند:

سطح 0 یا سطح میدانی (Field Level)

سطح 0 یا سطح میدانی در معماری DCS به قسمتی از سیستم اشاره دارد که مستقیماً با محیط فیزیکی فرآیندها و واحدهای تولیدی در کارخانه یا صنایع مختلف ارتباط دارد. این سطح شامل تجهیزات فیزیکی مختلف است که وظیفه جمع‌آوری داده‌های فیزیکی، اندازه‌گیری پارامترها و کنترل عملیات فیزیکی را دارند. عناصر اصلی در سطح میدانی عبارتند از:

• سنسورها
• ترانسمیترها (Transmitters): این دستگاه‌ها وظیفه تبدیل سیگنال‌های اندازه‌گیری شده توسط سنسورها به فرمت قابل استفاده در سیستم کنترلی را دارند.
• کنترل کننده‌ها
• واحدهای ورودی/خروجی
• و ..

سطح  1 یا سطح کنترل مستقیم (Direct Control Level)

سطح 1 یا سطح کنترل مستقیم  در معماری سیستم کنترل توزیع شده به بخشی از سیستم ارتباطی اشاره دارد که مسئولیت کنترل مستقیم و عملیاتی فرآیندها را دارد. در این سطح، کنترل کننده‌ها (Controllers) و نرم‌افزارهای کنترلی به عنوان عناصر اصلی قرار دارند و وظیفه اجرای الگوریتم‌ها و کنترل دقیق فرآیندها را برعهده دارند.

سطح  2 یا سطح نظارتی کارخانه (Plant Supervisory Level)

سطح 2 یا سطح نظارتی کارخانه در مع ماری  DCS  به بخشی از سیستم ارتباطی اشاره دارد که مسئولیت نظارت بر عملکرد کارخانه یا واحد تولیدی را دارد. در این سطح، نرم‌افزارهای نظارتی و مدیریتی وجود دارند که به جمع‌آوری داده‌ها، تحلیل و نظارت بر کارکرد چندین کنترل کننده و فرآیندهای مختلف می‌پردازند.

سطح 3 یا کنترل تولید (Production Control Level)

سطح کنترل تولید در معماری سیستم کنترل توزیع شده به بخشی از سیستم ارتباطی اشاره دارد که مسئولیت مدیریت و کنترل کلی تولید و فرآیندها در کارخانه یا واحد تولیدی را برعهده دارد. این سطح به هماهنگی بین چندین سیستم کنترلی در کارخانه و همچنین اجرای تصمیمات مدیریتی ارتباط دارد. کنترل تولید وظایفی مانند برنامه‌ریزی تولید، کنترل تولید، هماهنگی تولید و مدیریت تغییرات تولید را بر عهده دارد.

سطح کنترل تولید برای بهبود کارایی تولید، کاهش هدر رفت‌ها، تامین تنظیمات بهینه و مدیریت منابع به صورت کلی در یک کارخانه یا واحد تولیدی بسیار اساسی است. این سطح به مدیران تولید و برنامه‌ریزان امکان می‌دهد تا عملیات تولید را به بهترین شکل ممکن مدیریت کنند.

سطح  4 برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید (Production Scheduling and Planning Level)

سطح برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید  در معماری سیستم کنترل توزیع شده به بخشی از سیستم ارتباطی اشاره دارد که مسئولیت برنامه‌ریزی تولید و زمان‌بندی فعالیت‌های تولیدی را برعهده دارد. این سطح به تخصیص منابع، تعیین زمان‌بندی تولید و مدیریت سفارشات تولیدی می‌پردازد. سطح برنامه‌ریزی و زمان‌بندی تولید به مدیران و برنامه‌ریزان امکان می‌دهد تا تولید را به بهترین شکل ممکن برنامه‌ریزی کنند، منابع را بهینه تخصیص دهند، و سفارشات مشتریان را به موقع تحویل دهند. این سطح برای بهبود بهره‌وری و مدیریت هوشمند تولید در کارخانه یا واحد تولیدی بسیار حیاتی است.

سخن پایانی

سیستم کنترل توزیع شده (DCS) یک فناوری قدرتمند و حیاتی در صنایع مختلف است که به بهبود کنترل و نظارت بر فرآیندها و تسهیل مدیریت منابع کمک می‌کند. این سیستم با ویژگی‌هایی مانند کنترل توزیع شده، امکان اتصال تجهیزات متنوع، رابط‌های گرافیکی کاربری جذاب و مزایایی مانند افزایش بهره‌وری و کاهش خطاها، تبدیل به یکی از ابزارهای کلیدی در صنعت گردیده است.

امیدواریم اطلاعات ارائه شده در مورد DCS به شما کمک کرده باشد و به شما در درک بهتر از این تکنولوژی و اهمیت آن در صنایع مختلف کمک کرده باشد. اگر سوالات بیشتری دارید یا به اطلاعات بیشتری نیاز دارید، در قسمت دیدگاه‌ها موضوع را با ما به اشتراک بگذارید تا در سریع‌ترین زمان ممکن کارشناسان ما به شما پاسخ دهند و ابهامات به‌وجود آمده برای شما را از بین ببرند.