آشنایی با سیستم های کنترل DCS

آشنایی با Process Control Systems
1-1 ) سیستم های کنترل در مجتمع های بزرگ
امروزه سیستم های کنترل رکن اصلی هدایت پروسه ها در مراکز بزرگ صنعتی محسوب میشوند. منظور از مجتمع های بزرگ مجموعه هایی چون:
• پالایشگاه های نفت وگاز
• مجتمع های پتروشیمی
• نبروگاه های آبی، بخاری و سیکل ترکیبی
• کارخانجات تولید فولاد، مس و مواد معدنی
• کارخانجات سیمان و موارد دیگری که در مقیاس اینگونه صنایع هستند، می باشد.

در حال حاضر سیستم های کنترل این گونه واحدهای صنعتی کاملا مبتنی بر کامپیوترهستند، در صورتیکه تا چند دهه قبل تماما پنوماتیکی و الکترومکانیکی بودند. فضای زیادی نیز برای نمایش وضعیت پروسس مورد نیاز بود. شکل زیر اتاق کنترل نیروگاهی در آلمان در سال 1930 را نشان می دهد.سیستم های کنترل به کار رفته در این چنین صنایعی به لحاظ ساختار، طراحی و نحوه پیاده سازی با سیستم های کنترل مورد استفاده در صنایع کوچک و متوسط نظیر کارخانجات تولید موادغدایی، اتوموبیل سازی، کاشی و سرامیک و امثالهم، تفاوت هایی دارد که در ادامه به تشریح ویژگی های این سیستم ها و تفاوت های اشاره شده پرداخته خواهد شد.

(1-2 ) مدل های مختلف کنترل
آنچه امروز برای اتوماسیون یک واحد صنعتی استفاده می شود، حاصل تحقیقات و پیشرفتی است که در چند دهه گذشته صورت گرفته است. این توسعه در دو شاخه به شرح زیر انجام شده است:


(Factory Automation ( 1-2-1

 منظور از Factory Automation یا به تعبیر بهتر Discrete Control کنترل مکانیسم هایی است که به صورت  ON / OFF (خاموش یا روشن) یا به عبارت دیگر با منطق 0 و 1 کار می کنند.
نمونه بازر آن خط تولید یک کارخانه اتوموبیل سازی است. در این مدل اتوماسیون اکثر سیگنال ها دیجیتال هستندد.

PLCها، سیستم هایی هستند که به این منظور طراحی و از دهه هفتاد به بعد در صنایع به کار گرفته شدند.

(Process Automation ( 1-2-2
منظور از Process Automation کنترل متغیرهای پروسسی که عمدتا در حلقه های بسته (Closed-Loop) قرار دارند، می باشد. این مدل اتوماسیون در صنایعی نظیر نفت و گاز، پتروشیمی، سیمان و به طور کلی جایی که اکثر سیگنال ها آنالوگ هستند، به کار می رود.

PLCها، سیستم هایی هستند که به این منظور طراحی و از اواسط دهه هفتاد به بعد در صنایع به کار گرفته شدند. آنچه امروز DCS نامیده می شود، مدل بهبود یافته PCS هاست .

(1-3 ) کنترل پروسس (Process Control)

همانطور که در مقدمه اشاره شد، سیستم های DCS با هدف استفاده در Process Control طراحی و به کار گرفته شدند. پس بحث را با تعریفی از Process Control آغاز می کنیم.

(1-3-1 ) منظور از Process Control چیست؟

برای پاسخ به این سئوال ابتدا شرح تعریف زیر الزامیست 

Process: منظور از Process سیستم یا مجموعه المان هایی است که از یک طرف مواد به آنها وارد و از طرف دیگر با تغییرات فیریکی / شیمیایی خارج می شود.

 مثال : سیستم گرم کننده آب ( Heating Water ) آب از یک طرف وارد سیستم شده و از طرف دیگر با دمای بالاتر ( تغییر فیزیکی ) خارج می شود.

 

به طور کلی هر فرآیندی که باعث تغییر شیمیایی شود یک پروسس محسوب می شود.

 (1-3-2 ) اجزای به کار رفته در یک سیستم (Process Control) ساده در یک سیستم ساده کنترل پروسس المان های زیر استفاده می شوند:
• Field Instrument 
• Actuator 
• Single Controller 
• PID LOOP 
حال به تشریح این المان ها می پردازیم.

( Field Instrument ( 1-3-2-1 :

منظور از Field Instrument تجهیزات ابزار دقیقی است که به منظور اندازه گیری مشخصات مواد موجود در Process نظیر دما (Temperature ) , فشار (Pressure) ، فلو (Flow) استفاده می شوند. این تجهیزات یک مقدار عددی که نشان دهنده وضعیت متغیر مورد بررسی است را مشخص می کنند.

(Actuator (1-3-2-2:

Actuator ها المان های الکترومکانیکی هستند که برای تنظیم مقدار مواد در قسمت های مختلف Process استفاده می شوند.

مثال : انواع شیرهای کنترلی ( Control Valve ) و Damper ها که برای مقاصدی نظیر تنظیم مقدار سوخت ، تنظیم دهی هوای ورودی و بسیاری موارد دیگر به کار می روند.

دقت کنید که Control Valve ها را با Solenoid Valve ها اشتباه نشود.Valve Solenoid ها به صورت ON / OFF کار می کنند، در صورتی که با یک Control Valve میتوان مقدار سیال عبوری را بین یک تا صد درصد تنظیم کرد.

(Single Controller (1-3-2-3:

سخت افزاری برنامه پذیر که با پردازش مقادیر کمیت های مختلف دما / فشار / سطح و فلو ، دریافتی از Field Instrument ها و لحاظ کردن شرایط داده شده توسط کاربر ، به Actuator ها فرامین متناسب ارسال می نماید و آنها را روی درجات مورد نیاز تنظیم می کند . یک کنترلر بسته به نوعش می تواند برای کنترل یک یا چند حلقه استفاده شود.

از Single Controller ها معمولا در مواقع زیر استفاده می شود:

• سیستم کنترل ساده و کوچکی که ارزان هم باشد مد نظر است

• حلقه کنترلی بسته در سیستم وجود دارد

• سیستم کنترل مستقلی برای یک یا چند حلقه مورد نیاز است

• سیستم مانیتورینگ در مجموعه موجود نیست

(PID LOOP (1-3-2-4:

حلقه های کنترلی بسته ( Closed –Loop ) توسط مدلی ریاضی به نام PID در کنترلرها پیاده سازی می شوند.

در یک حلقه کنترل ، هدف رساندن یک کمیت ( PV یا Process Variable ) به مقدار مطلوب ( Set Point یا SP ) می باشد. این عمل با تغییر متغیر سوم  (Variable Manipulate یا MV ) .که معمولا یک وضعیت یک Actuator است ، صورت می گیرد.

D ,I ,P سه پارامتر اصلی برای اجرای کنترل در این حلقه ها هستند که بسته به شرایط Process توسط کاربر تنظیم می شوند و مشخصات آنها به شرح زیر می باشد:

Proportional) P):افزایش / کاهش P سرعت تغییرات را در خروجی حلقه افزایش /. کاهش می دهد P باعث تولید خطای ماندگار در حلقه کنترل می شود.

Integrator) I): ضریب I باعث از بین بردن خطای ثابت سیستم و نرم کردن حرکت خروجی حلقه می گردد.

Derivative) D): استفاده از ضریب D حساسیت سیستم را نسبت به تغییرات ورودی بالا می برد. در صورتی که به درستی تنظیم نشود، باعث ایجاد نوسان و ناپایداری در حلقه کنترل می گردد.

با این تعاریف معنی Process Control به صورت دقیق و کامل روشن می شود:

Process Control یعنی روشی برای کنترل Actuator ها در حلقه های بسته PID توسط Controller ها بر اساس مقادیر دریافتی از Field Instrument ها

(1-3-3 ) ویژگی های(Process Control System)

سیستمی که برای Process Control استفاده می شود ، باید از مشخصات زیر برخوردار باشد :

Performance:یعنی پروسه را از حالت دستی و عادی بهتر و سریعتر انجام دهد.

Deterministic: رفتار آن قابل پیش بینی و محاسبه باشد. یعنی مثلا عملی که یکبار در مدت زمان T انجام شد ، در شرایط برای باز هم در همان مدت زمان T انجام شود.

Fault Tolerant:در صورت بروز هر گونه اشکالی از کار نیفتد و نسبت به خطاهای خاصی تحمل داشته باشد. برای این منظور باید المان های آن دارای پشتیبان یا Backup باشند یا اصطلاحا سیستم Redundant باشد.

Security:هر عملی تنها در صورت اخذ مجوزهای لازم قابل اجرا باشد. مثلا تغییر پارامترهای یک Actuator مهم ، تنها توسط شخص خاصی که از اجازه های لازم برخوردار است ، قابل انجام باشد.

(1-3-4 ) مشخصات Process Plant های واقعی

یک Process Plant جایی است که مجموعه ای از Process های مختلف برای تولید محصولات متنوع به کار گرفته شده است . بارزترین نمونه های آن پالایشگاه های نفت و گاز و
مجتمع های پتروشیمی است دقت داشته باشید که با این تعاریف یک مجتمع اتوموبیل سازی ، یک Process Plant محسوب نمی شود.

شکل زیر که پروسس ساده را نشان می دهد که کنترلر ساده را نشان می دهد که کنترلر ساده ای نیز برای پیاده سازی آن استفاده شده است و در آن تنها یک پارامتر دما اندازه گیری شده است .

در یک Plant واقعی که مشخصات مختلفی از محصولات تولیدی اندازه گیری می شود. کمیت هایی نظیر غلضت ، وزن حجمی ، دما ، رنگ ، فشار و ……. همینطور بسیاری از پارامتر های تجهیزات نیز باید اندازه گیری و کنترل شوند. پارامتر هایی چون سطح ، مصرف انرژی زمان کارکرد و ……

 

یک مجتمع تولید کاغذ را در نظر بگیرید. در این Plant با پیاده سازی تعدادی پروسه مختلف چوب به کاغذ تبدیل می شود. این Plant دارای ویژگی های زیر است .

تنوع محصولات ( کاغذ روزنامه ، کاغذ معمولی ، انواع دستمال کاغذی …… )

علاوه بر کنترل جداگانه هر Process باید ارتباطی نیز بین Process های مختلف برقرار شود.

هر Process دارای -10-100 Actuator و Field Instrument است .

نزدیک به 1000 حلقه کنترلی ( PID LOOP ) وجود دارد.

با یک مقایسه ساده مطابق مثال قبلی می توان برای کنترل هر حلقه PID ،از یک  (Single – Loop Controller) کنترلر منفرد استفاده کرد. اما آیا این کار عملی است؟ آیا می توان نزدیک به هزار کنترلر منفرد را برای راهبری این کارخانه به کار گرفت؟ جواب منفی است. چون عملا امکان مدیریت و نگهداری این تعداد سیستم وجود ندارد. در حین حال مشکل اساسی برقرار کردن ارتباط بین این کنترلرها می باشد.

(2-1) تعریف سیستم  Decentralized Control System ) DCS)

یک DCS مجموعه ای است از کنترلر های با قابلیت پردازش بیش از یک حلقه ( Multi – Loop ) این کنترلر ها که با یکدیگر نیز مرتبط هستند و هر یک می توانند از طریق واحدهای ورودی / خروجی خود به Field – Instrument ها متصل شده و بین 10 تا 100 حلقه را کنترل نمایند. ارتباط بین این کنترلرها از طریق شبکه های صنعتی استاندارد صورت می گیرد.

این تیپ سیستمهای کنترلی را اصطلاحا ” سیستمهای کنترل غیر متمرکز ” یا ( Decentralized Control System ) نامیده می شوند، گرچه امروزه عبارت ( Distributed Control System ) متداولتر است .

بنابراین در ادامه مثال فصل قبل می توان گفت که یک  DCS ، سیستم مناسبی برای کنترل فرآیندها در یک مجتمع کاغذ سازی به شمار می رود . چون علاوه بر کنترل پروسه های مختلف ، بین آنها ارتباط و تبادل اطلاعات نیز برقرار می کند. در ادامه به شرح اجزای یک سیستم DCS پرداخته می شود.

(2-2) ساختار سیستم های (DCS ( DCS Architecture

سیستم های کنترل پروسس از بدو بکارگیری تاکنون دارای معماری های به شرح زیر بوده اند.

(2-2-1) ساختار متمرکز (Centralized Architecture)

تا قبل از به کار گیری DCS ها در عرصه صنعت ، در سیستمهای کنترل بزرگ که در Plant های عظیمی نظیر پتروشیمی و پالایشگاه استفاده می شد، تمامی عملیات ریاضی و منطقی تنها در کامپیوتر مرکزی انجام می شد و کنترلرها ها تنها نقش واسطه برای ارسال اطلاعات دریافتی از Field Instrument به کامپیوتر مرکزی و بالعکس اجرای فرامین دریافتی از کامپیوتر مرکزی روی Actuator را بازی کردند و هیچ گونه تبادل اطلاعاتی با هم نداشتند.

عیب اصلی این سیستم تمرکز زیاد پردازش اطلاعات و عملیات ریاضی و منطقی در یک نقطه ( کامپیوتر مرکزی ) به شمار می رفت. یعنی در صورت بروز اشکال در کامپیوتر مرکزی ، کل سیستم کنترل از کار می افتاد.

(2-2-2) ساختارغیر متمرکز (Decentralized Architecture)

سیستم های DCS در واقع راهکاری برای رفع ضعف های سیستم های متمرکز محسوب می شدند . بدین شکل که پردازش اطلاعات بین کنترلرهای یکسان تقسیم می شد، در عین حال یک شبکه ارتباطی نیز بین کنترلر ها موجود بود و تبادل اطلاعات بین آنها به آسانی انجام می گرفت .

(2-2-3) معماری متعارف یک سیستم DCS 

بر اساس ساختار شماتیک فوق ، معماری متعارف یک سیستم DCS  به صورت زیر است :

(2-3) اجزای یک سیستم DCS

یک سیستم DCS متعارف را می توان با هرم زیر نشان داد:

پیکره یک سیستم DCS به طور کلی به سه بخش تقسیم می شود:

• Field Level
• Control Level
• Monitoring Level
حال می خواهیم سطوح معرفی شده در ساختار فوق را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم .

(2-3-1) Field Level

در پایین ترین سطح Actuator ها و Field Instrument ها قرار دارند که به دو روش به سطح بالاتر که کنترلر ها قرار دارند متصل می شوند:

(2-3-1-1) روش کلاسیک :

هر اینسترومنت Actuator از طریق دو رشته سیم ( جریان یا ولتاژ ) به کارت ورودی / خروجی متصل می شود. با توجه به تعداد اینسترومنت ها Actuator ها ، حجم Wiring یا کابل کشی افزایش می یابد.

(2-3-1-2 )  استفاده از Field bus :

امروزه اکثر سیستمهای DCS حداقل از یک یا چند نوع تکنولوژی Field Bus نظیر Profibus ,DeviceNet , Foundation Field Bus پشتیبانی می کنند و قابلیت اتصال به آن را دارا هستند .با استفاده از Field Bus در این روش می توان تعداد زیادی Instrument/ Actuator را با استفاده از تنها یک کابل رابط به کنترلرها متصل کرد و حجم کابل کشی را به شکل قابل توجهی کاهش داد.

در عین حال به عین دیجیتال بودن اطلاعات ارسالی نیاز به کارت های I/O آنالوگ ( جهت تبدیل ) وجود ندارد و تنها یک کارت واسطه برای کل Field bus لازم است. برای آشنایی بیشتر با تکنولوژی Field Bus ها و مفاهیم مربوطه به ضمیمه یک رجوع کنید.

(2-3 -2) در سطح میانی یک سیستم DCS کنترلرها قرار دارند . هر کنترلر متصدی اداره یک قسمت از Plant است و معمولا به همین شکل نیز نامگذاری می شود. کنترلرها از طریق یک شبکه ارتباطی با یکدیگر و نیز با سطح بالاتر در ارتباط هستند، این شبکه معمولا دارای پشتيبان Redundant است.

نوع و پروتکل شبکه در سیستمهای DCS مختلف ممکن است متفاوت باشد. ولی امروزه شبکه Ethernet معمولتر از سایر پروتکل هاست . به شبکه ارتباطی بین کنترلرها Plant Bus یا Process Bus اطلاق می شود و معمولا از فیبر نوری به دلیل سرعت بالا و عدم نویز پذیری الکتریکی به عنوان رابط فیزیکی استفاده می شود.

(2-3-3) Monitoring Level

درسطح بالای یک سیستم DCS ایستگاه های کاری یا همان کامپیوتر هایی قرار دارند که از طریق آنها فرآیند های پروسسی توسط اپراتور ها کنترل می شوند . این کامپیوترها نیز از طریق یک شبکه که به آن Terminal Bus گفته می شود به سطح پایینتر متصل می شوند.

(2-3-3-1) Engineering Station

ES یا Engineering Station کامپیوتری است که نرم افزار طراحی و مهندسی سیستم DCS روی آن نصب می شود و کلیه عملیات مهندسی سیستم شامل download کردن برنامه در کنترلر ها، تغییر در منطق برنامه و انجام اصلاحات و تغییرات در صفحات گرافیکی سیستم مانیتورینگ از طریق آن صورت می گیرد. معمولا ES در محل جداگانه ای نصب می شود.ES به هر دو Bus سیستم اعم از terminal Bus و process Bus متصل است.

بسته به وسعت و پراکندگی سیستم DCS ممکن است چند ES در مجموعه وجود داشته باشد.

(2-3-3-2) Operating Station

OS یا Operating Station ایستگاه کاری اپراتورهاست. روی این کامپیوترها صفحات گرافیکی به شکل Runtime (که غیر قابل edit است) load شده است.OS ها بسته به معماری سیستم به طور مستقیم یا از طریق Server به کنترلرها متصل هستند. اپراتورها می توانند مقادیر پروسسی را روی OS مشاهده نمایند و یا فرامین کنترلی را از طریق آنها به کنترلرها ارسال کنند.

(2-4) مدل های مختلف ارتباطی در سیستم های DCS

با بررسی اجزای یک سیستم DCS حال این سئوال پیش می آید که ارتباط بین سطح میانی و با سطح بالاتر به چه ترتیب برقرار می شود.

این اتصال در سیستمهای DCS مختلف ، متفاوت است و دارای مدل های زیر است :

• Client / Server 
• Stand-alone Station
در ادامه به تشریح هر یک از این مدل ها پرداخته خواهد شد.

(2-4-1) مدل Client – Server

در این روش یک کامپیوتر قوی به نام Server ،  نقطه اتصال Plant Bus و Terminal Bus می باشد. در حقیقت Server دارای دو کارت شبکه مجزا بوده به هر دو شبکه متصل است Client ها اطلاعات مورد نیاز خود را از طریق Server در یافت کرده و فرامین و Set point های داده شده توسط اپراتور از طریق OS ها ابتدا به Server و سپس به کنترلرها فرستاده می شود.

عیب این روش این است که در صورت از کار افتادن Server ارتباط اپراتورها با سیستم کنترل بکلی قطع می شود. برای جلوگیری از این اتفاق معمولا از دو Server یکسان که پشتیبان هم هستند استفاده می شود ( Server Redundancy ) تا در صورت بروز اشکال در یکی ،دیگری رهبری عملیات را به عهده بگیرد.

(2-4-2) مدل Stand-alone Station

در این حالت ، کامپیوتری به نام Server وجود ندارد و تمامی ایستگاها با شبکه میانی در ارتباط هستند و هر یک به تنهایی عمل رد و بدل کردن داده با کنترلرها را انجام می دهند مزیت این حالت این است که در صورت از کار افتادن یکی از ایستگاهها ، ارتباط با شبکه میانی قطع نمی شود. در واقع می توان گفت تمام Station ها به نوعی پشتیبان هم هستند.

برخی از وظایف Server نظیر Alarm Logging ,Tag Logging ,Trending بین ایستگاهها تقسیم می شود. به عنوان مثال یکی از کامپیوتر عمل آرشیو کردن آلارم ها را به عهده خواهد داشت و دیگری ذخیره کردن مقادیر پروسسی را، نقل و انتقال اطلاعات لازم برای مشاهده هر یک از این موارد نظیر لیست آلارم ها یا منحنی های مقادیر پروسسی از طریق شبکه بالادستیانجام می گیرد. در این روش در مقایسه با مدل Client – Server کامپیوتر های قویتری مورد نیاز است .

(1-٣) نرم افزار سيستم های DCS

نرم افزار رکن اصلی یک سیستم DCS محسوب می شود. در واقع قدرت و اعتبار یک سیستم DCS بستگی تام به نرم افزار آن دارد.

سازنده یک سیستم DCS معمولا به همراه سخت افزار خود ، یک بسته نرم افزاری جامع ارائه می دهد که شامل قسمت های مختلفی برای انجام ئکارهایی نظیر طراحی صفحات گرافیکی ، نوشتن برنامه برای هریک از کنترلرها و Configure کردن شبکه می باشد.

در یک مقایسه ساده بین DCS و PLC از نقطه نظر نرم افزار ، می توان گفت نرم افزار مورد استفاده در سیستم DCS دارای قابلیت های بالاتر و بسیار قویتر است و در مقابل از نظر قیمت نیز گرانتر است.

(٢-٣) ساختار نرم افزار

به طور کلی نرم افزار سیستم های DCS شامل بخش های زیر می باشد:

• Hardware Configuration
• Network Configuration 
• Program Development 
• Graphic Design

(3-2-1) Hardware Configuration

در این بخش پیکربندی سخت افزار مورد نیاز برحسب I/O لیست تهیه شده، به شکل گرافیکی طراحی می شود. تمامی کارت های ورودی / خروجی آدرس دهی می شوند و تنظیمات مورد نیاز روی کارت های مختلف اعم از کارت CPU ، کارت های شبکه و غیره پیاده سازی می شود.

(3-2-2) Network Configuration

در این بخش ساختار شبکه ارتباطی بین کنترلرها و سایر اجزای سیستم از جمله OS ها و ES ها طراحی و تنظیمات مورد نیاز شامل آدرس دهی به node ها ، انتخاب نوع پروتکل ارتباطی و موارد دیگر اعمال می شود.

(3-2-3) Program Development 

این قسمت بخشی است که طراحی و پیاده سازی منطق کارکرد برای کنترلرهای مختلف انجام می شود که شامل تفصیلات بسیار زیادی نیز می باشد. در ادامه ساختار برنامه کنترلی در یک DCS تشریح می شود.

(3-2-4) Graphic Design

در این قسمت طراحی صفحات گرافیکی براساس نقشه های تهیه شده صورت می گیرد. همچنین پیاده سازی سیستم Event و Alarm و نیز نمایش و ذخیره سازی منحنی ها نیز در این . قسمت انجام می گیرد Detail کار به مراتب بیشتر از قسمت برنامه نویسی است.

البته در مقایسه با سیستم های PLC ، باز به علت امکانات خاص نرم افزار DCS روند کار تسریع می شود. یکی ازاین ویژگی ها استفاده از Graphical Dynamic Objects است که در زیر شرح داده شده است.

(3-3) ساختار برنامه

یکی از تفاوت های اصلی Software مهندسی سیستم PLC با DCS در نحوه برنامه نویسی است . به زبان یک برنامه نویس می توان گفت در مهندسی سیستم DCS در واقع کدی نوشته نمی شود بلکه از مجموعه کاملی از توابع که قبلا توسط سازنده سیستم DCS به طور استاندارد طراحی و در کتابخانه های نرم افزاری قرار داده شده است، استفاده می شود. 

این کتابخانه شامل مجموعه ای از توابع ریاضی ، منطقی و انواع دیگر می باشد.

در عمل یک مهندس DCS ، پس از طراحی ساختار کلی سیستم و مشخص شدن تعداد و وظایف هر یک از کنترلرها ، توابع مورد نیاز را از کتابخانه انتخاب کرده و به شکل یک پازل کنار هم قرار می دهد تا فرآیند کنترلی مورد نظر را پیاده سازی کند . البته این امکان وجود دارد که در صورت نیاز یک تابع جدید طراحی و به کتابخانه اضافه شود.

(3-3-1) سلسه مراتب ( Hierarchy)

به علت حجم بالای عملیات منطقی و ریاضی مورد نیاز در سیستم DCS ، برنامه کنترلی به شکل و درخت گونه پیاده سازی می شود. بدین شکل که کل مجتمع به چند واحد ، هر واحدبه چند بخش و در هر بخش به المان های تشکیل دهنده آن تقسیم می شود. این تقسیم بندی در تمامی قسمتهای سیستم منجمله صفحات گرافیکی اعمال می شود و تصویر روشنی از ساختار Plant در ذهن اپراتور ایجاد می نماید. اینکه این سلسه مراتب در چند مرحله باشد یا به عبارت دیگر چقدر عمق داشته باشد، توسط طراح نرم افزار انجام می شود.

به عنوان مثال یک نیروگاه سیکل ترکیبی را در نظر بگیرید که دارای دو واحد تولید بخاری می باشد. بدیهی است که این دو واحد کاملا یکسان هستند و در هر واحد نیز بخش های مشابهی نظیر بویلر ، Cooling وجود دارد.

بنابراین Hierarchy کل نیروگاه از دیدگاه سیستم DCS به شرح زیر می باشد.

این hierarchy یا سلسله مراتب عینا در داخل نرم افزار سیستم DCS به شکلی شبیه به Explorer  سیستم عامل Windows پیاده سازی می شود. یعنی برای هر بخش یک Folder اختصاص داده می شود. (شکل زیر)

برنامه (Interlocking و Logic ) و صفحات گرافیکی هر بخش در Folder مربوطه قرار می گیرد. این روش دارای مزایای زیر است:

برنامه مرتب ، modular و دسترسی به بخش های مختلف آن بسیار آسان است.

برای ایجاد بخش های مشابه کافی است تنها Folder قبلی کپی و نام های بکار رفته در آن عوض شود.

(3-3-2) (CFC ( Control Function Chart 

همانطور که در بخش قبل اشاره شد برنامه کنترلی یک DCS در عمل مجموعه ای از عناصر پیش ساخته یا توابع از پیش نوشته است که به یکدیگر متصل شده اند البته خود این مجموعه ، به تعدادی زیر مجموعه که متشکل از توابع کمتری هستند و هریک برای قسمت خاصی از فرآیند کنترلی طراحی شده اند تقسیم می شود.

به هریک از این زیر مجموعه ها (CFC ( Control Function Chart  گفته می شود .

می توان از ترکیب چند CFC یک، CFC جدید نمود . برای هر کنترلر ، تعدادی CFC که برآورنده وظایف اختصاص داده شده به آن کنترلر هستند ، ایجاد و Compile می شود تا به کد قابل اجرا توسط کنترلر تبدیل شود. سپس این کدها به کنترلر منتقل یا اصطلاحا download می شود.

CFC ها در بازه های زمانی معین اجرا می شوند و البته بسته به تشخیص مهندس سیستم می توانند اولویت بندی شوند.

(3-3-3) (SFC ( Sequential Function Chart

در اکثر پروسه های کنترلی ، همواره مواردی وجود دارد که باید به صورت ترتیبی یا اصطلاحا Sequential اجرا شود. به عنوان مثال Startup یک واحد نیروگاهی بدینصورت نیست که با فشار یک کلید ، همه دستگاه هاا در سرویس قرار بگیرند و ژنراتور شروع به تولید برق نماید. بلکه سیستمهای درگیر بایستی قدم به قدم ، مراحل متعدد را با زمانبدی های مشخصی طی کنند تا به حالت کاری نرمال خود برسند. به زبان دیگر تعدادی Transition و Step برای انجام عملیات تعریف می شوند. 

در هر Step یکسری عملیات انجام می شود ( مثلا تعدادی والو باز و بسته و یا تعدادی پمپ و موتور خاموش و روشن می شوند ) در صورتیکه پس از گذشت زمان مورد نظر در Step مذکور ، شرایط لازم برای رفتن به Step بعد یا به عبارت دیگر Transition محقق شد، سیستم وارد مرحله بعدی می شود. به یک مجموعه از این Transition و Step که برای هدف خاصی طراحی شده باشد (SFC ( Sequential Function Chart می گویند.

در واقع SFC ها ارتباطی بین SFC ها به وجود می آورند و Interlocking های جدیدی را در کل سیستم وارد می نمایند. شکل زیر نمونه ای از SFC ایجاد شده در DCS زیمنس برای مدل سازی یک پروسه ترتیبی را نشان می دهد.

(3-4) Data base
در سیستمهای DCS حجم زیادی از اطلاعاتی که Format مشابهی دارند بین کنترلرها و ایستگاهای مانیتورینگ رد و بدل می شود. مدیریت ارسال و دریافت این حجم اطلاعات نیازمند ساختاری از قبل آزمایش شده و مدون می باشد . به همین دلیل برای نقل و انتقال اطلاعات بین node ها از پایگاه های داده ( Data base ) استفاده می شود . منظور از یک Database قالبی نرم افزاری برای مدیریت و پردازش اطلاعات است.
به عنوان مثال اطلاعاتی نظیر دما ، فشار و سایر کمیت های مورد کنترل در پروسس را در نظر بگیرید. این اطلاعات باید روی چندین Monitoring Station نمایش داده شود. در ضمن لازم است تمام ایستگاه همزمان مقادیر یکسانی را نشان دهند و با هم تفاوت نداشته باشند .
اگر این اطلاعات در یک منبع مشخص موجود باشد ، برای تمامی این Client ها دیتای مشابهی ارسال می شود. پس باید یک Database در سیستم وجود داشته باشد که قابل دسترسی برای کلیه اعضا ء مجموعه باشد. پایگاه های داده در سیستم های DCS به شرح زیر تقسیم بندی می شوند:
-1-Database مرکزی یا Single Data base
-2-Database توزیع شده یا Distributed Database
(3-4-1) Database مرکزی یا Single Data base :
دیتا بیس فقط روی یک Station به نام Server قرار دارد و بقیه ایستگاه ها با آن تبادل اطلاعات می نمایند. (همان مدل Client-Server).
مزیت این مدل در مشخص بودن زمان پاسخ Server به هر Client است (Determinism).
در مقابل عیب این روش این است که در صورت بروز اشکال در Server ارتباط اطلاعاتی از دست می رود. برای رفع این معضل از دو یا چند Server به عنوان پشتیبان استفاده می شود.
در DCS های بزرگ که حجم اطلاعات بسیار بالاست، بعضا هر قسمت از اطلاعات دارای یک Database مستقل روی Server جداگانه است. مثلا یک Database برای آلارم ها روی Alarm & Event Server و یا Database دیگری برای ذخیره سازی مقادیر کمیت های پروسسی جهت نمایش به شکل منحنی روی Trend Server.

(3-4-2) Database توزیع شده یا Distributed Database 

در این مدل دیتاها روی بیش از یک Location فیزیکی قرار دارند . برای این عمل یک database Server روی هر یک از Station ها نصب می شود تا امکان Share کردن داده ها فراهم شود. در این مدل دیگر نیازی به Server نیست.

اطلاعات اصلی نظیر مقادیر کمیت های پروسسی مستقیما بین کنترلرها و ایستگاه های مانیتورینگ رد و بدل می شود. تصور داشته باشید که در هر ایستگاه مانیتورینگ در هر لحظه فقط یک صفحه در حال نمایش است. بنابراین دیتای چندان زیادی از سمت کنترلرها برای Update کردن آن ارسال نمی شود. نکته مهم سرعت Refresh کردن صفحه است که آن را هم معمولا سازنده ها حل کرده اند.

در سیستم های DCS مبتنی بر Distributed Database زمان بروز رسانی صفحات نمایش (Refresh Time) از یک حداکثر ثابت پایینتر است یا اصطلاحا قابل پیش بینی (Deterministic) است. امروزه اکثر سازندگان سیستم های DCS که از مدل Distributed Database استفاده می کنند، زمان Refresh زیر یک ثانیه را گارانتی می نمایند. 

امروزه اکثر سازندگان سیستم های DCS مدعی Real –Time بودن Database سیستم خود هستند. ویژگی Real –Time یا بلادرنگ بودن یعنی که زمان پاسخ Database آن مشخص استیا اصطلاحا deterministic است.

اکثر سازندگان تاکنون از Database های خامی که توسط خودشان طراحی شده بود استفاده می کردند . ولی امروزه با توجه به قابلیت های بالای پایگاه داده های عمومی عمدتا به سمت به کارگیری Data base های رایج در بخش های غیر صنعتی نظیر Microsoft SQL Server حرکت می کنند.

تفاوت های سیستم های کنترل DCS و PLC

شاید یکی از ابهاماتی که تقریبا برای اکثر کسانی که می خواهند با سیستم های DCS کار کنند وجود دارد ، عدم درک تفاوت سیستم های کنترل DCS و PLC است.

هر دو این سیستم ها در ابتدا برای اهداف کاملا متفاوتی طراحی شدند:

PLC ها برای Factory Automation و کنترل های ترتیبی یا Interlocking

DCS ها برای Process Automation و کنترل فرآیند.

یعنی PLC ها قابل استفاده برای کنترل فرآیند نبودند و در مقابل DCS ها سرعتی به اندازه PLC ها نداشتند.

اما امروزه با توجه به رشد و پیشرفت تکنولوژی اشتراکات زیادی بین این دو سیستم به وجود آمده است و در بسیاری موارد می توان از PLC ها نیز برای کنترل یک پروسه شیمیایی استفاده کرد و از آن طرف سرعت سیستم های DCS نیز روز به روز بیشتر می شود.

به طور کلی میتوان گفت هر دو سیستم در حال حاضر ماهیت یکسانی دارند و تنها نوع کاربرد و قابلیت های آنها با یکدیگر متفاوت است. 

حال با توجه به تشریح اجزای سیستم های DCS و آشکار شدن اشتراکاتی که بین سیستم های DCS و PLC وجود دارد ، ممکن است این سئوال پیش آید که برای کنترل یک کارخانه با مشخصات معلوم و معین از کدام سیستم باید استفاده شودDCS یا PLC.

تفاوت های سیستم های کنترل DCS و PLC را می توان در موارد زیر خلاصه کرد: 

ظرفیت یا تعداد I/O – کاربرد یا نوع I/O – زمان مهندسی – Redundancy – مانیتورینگ – Networking – قیمت – سرعت