أتمتة العمليات- أنظمة التحكم-5 Process Automation System- Control System

 

أتمتة العمليات- أنظمة التحكم-5 Process Automation System- Control System

تتراوح بنية نظام التحكم من التحكم المحلي البسيط إلى أنظمة التحكم الموزعة الواسعة، حيث تحدد معايير الموثوقية لأنظمة التحكم الخاصة بالمنشآت الصناعية وحجمها شكل نظام التحكم المراد تطبيقه تطبيق بدءا من أنظمة التحكم الموزعة أو وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة.

نظام التحكم المركزي Centralized Control System:

ضمن هيكلية التحكم المركزي يتم توصيل جميع التجهيزات الحقلية من حساسات ومشغلات وأي معدات أخرى تدخل في عملية التحكم الى وحدة تحكم مركزية أو مجموعة من وحدات التحكم المركزية الموجودة في غرفة التحكم. تسمح عملية وجود وحدات التحكم وشاشات المراقبة والانذار ضمن غرفة التحكم الى إمكانية المراقبة والاستجابة السريعة الى أي عطل قد يحدث.

قديماً كانت هيكلية التحكم هذه شائعة ضمن محطات توليد الكهرباء والمرفقات التابعة لها، حيث كانت تستخدم قديماً وحدات تحكم مفردة مما يتطلب تمديد أسلاك توصيل طويلة وعديدة وذات كلفة عالية، مما دفع لاحقا الانتقال الى نظم التحكم الموزعة. يجب مراعاة استخدام هذه الطريقة في التوصيل فيمكن استخدامها فقط ضمن المنشآت الصغيرة والتي يجب أن توخي الحذر ضمنها من خلال توصيف متحكمات احتياطية ضمن منظومة التحكم.

نظم التحكم الموزعة Distributed Control System DCS:

شكل آخر من أشكال الربط بين المتحكمات هو الربط بشكل مشابه لربط شبكة حاسوبية بحيث كل متحكم يرتبط مع وحدات الدخل والخرج الخاصة به من جهة وبين باقي المتحكمات من جهة أخرى. وهذا الشكل أكثر كلفة وأكثر مرونة وموائمة من الربط مع الوحدات الطرفية البعيدة وتعطي استقلالية في عملية التحكم ولا تعتمد على متحكم مركزي واحد وبالتالي فشل الربط بين المتحكمات لا يوقف العملية التحكمية.

توفر بنية نظام التحكم الموزع أفضل ميزات كل من التحكم المحلي والتحكم المركزي. في نظام التحكم الموزع يتم توفير وحدات تحكم محلية مستقلة تتصل بمجموعة من التجهيزات وتتصل أيضاً فيما بينها وبين السيرفرات بشبكة واحدة أو أكثر وبين السيرفرات وحواسب المشغلين بشبكة أخرى مستقلة.

تهدف نظم التحكم الموزعة إلى ربط جميع عناصر التحكم الموجودة ضمن منشأة صناعية كاملة مع بعضها البعض والتي تتألف من الأجهزة الحقلية من حساسات ومشغلات، بروتوكولات الاتصال الحقلية مع نظام التحكم، نظام التحكم، أنظمة تخزين المعلومات ومعالجتها، السيرفرات، أنظمة التشغيل وغيرها من الأدوات التي تعمل على توفير القدرة المطلوبة لتنفيذ عمليات التحكم والمحاكاة المعقدة ومعالجة المهام وتأمين البيانات على جميع المستويات.

ان نظام التحكم الموزع يعتبر نظام معقد نسبياً فهو يتضمن إمكانية التحكم بدءاً من إشارات الدخل والخرج وصولاً الى عملية المراقبة والاشراف والأمثلة. بالتالي فان نظام التحكم الموزع (DCS) هو نظام تحكم محوسب لعملية تكنولوجية معقدة أو مصنع كبير يحتاج الى العديد من حلقات التحكم، حيث يتم توزيع وحدات التحكم المستقلة في جميع أنحاء منظومة التحكم مع إمكانية توزيع نظام الاشراف والمراقبة على وحدات التحكم المستقلة. يزيد مفهوم التحكم الموزع من الموثوقية ويقلل من تكاليف التركيب من خلال تركيب مكونات نظام التحكم بالقرب من الوحدة المراد التحكم بها، مع إمكانية المراقبة والإشراف عن بعد.

الشكل التالي يوضح أحد أشكال بناء نظم التحكم الموزعة وهو على سبيل المثال فقط حيث يحدد التطبيق المطلوب بنية وشكل نظام التحكم الموزع. يعمل كل متحكم حقلي بشكل مستقل عن غيره من المتحكمات حيث كل متحكم يرتبط بالتجهيزات والمشغلات الخاصة به وترتبط أيضاً هذه المتحكمات مع بعضها مع محطة المهندسين Engineering Workstation والسيرفرات الرئيسية عن طريق شبكة حقلية خاصة، تعمل محطة المهندسين على مراقبة جميع الإشارات الحقلية من مختلف المتحكمات ولها القدرة على التدخل في حال تطلب الأمر ذلك.

ظهرت أنظمة التحكم الموزعة لأول مرة في صناعات العمليات الحيوية الكبيرة وذات القيمة العالية والسلامة والموثوقية والأمان العاليان مثل محطات توليد الكهرباء ومنشآت البتروكيماويات ومعامل النفط والغاز والمصانع العملاقة، تعمل الشركات المزودة والمصنعة لأنظمة التحكم الموزع على توفير جميع مكونات مستوى التحكم المحلي ومعدات الإشراف المركزية كحزمة متكاملة، وبالتالي تقليل مخاطر تكامل التصميم.

ان استخدام أنظمة التحكم الموزع في هذه المنشآت يزيد من الموثوقية في حال فشل وجود معالج مركزي وحيد الذي يؤثر على العملية التكنولوجية برمتها. تعمل أيضاً وحدات التحكم المنفصلة على توزيع عملية المعالجة وتوزيع وحدات الدخل والخرج I/O على مختلف وحدات التحكم.

الرسم البياني التالي هو نموذج عام يوضح المستويات الوظيفية باستخدام التحكم الموزع.

يحتوي المستوى 0 على الأجهزة الميدانية الحقلية من التجهيزات والمشغلات مثل مستشعرات التدفق ودرجة الحرارة وصمامات التحكم.

يحتوي المستوى 1 على وحدات الإدخال / الإخراج (I / O) والمعالجات التحكمية الموزعة المرتبطة بها.

يحتوي المستوى 2 على السيرفرات والمحطات الخاصة بالمشغلين والمهندسين، والتي تجمع المعلومات من عقد التحكم الموزعة وتوفر شاشات تحكم ومراقبة المشغل.

المستوى 3 هو مستوى التحكم في الإنتاج، والذي لا يتحكم بشكل مباشر في العملية، ولكنه يهتم بمراقبة أهداف الإنتاج والمراقبة.

المستوى 4 هو مستوى جدولة الإنتاج وادارتها.

المستويان 1 و2 هما المستويان الوظيفيان لوحدات التحكم التقليدية، حيث تكون جميع المعدات جزءًا من نظام متكامل من جهة تصنيع واحدة. ولا يعتبر المستويان 3 و4 من المستويات التي تدخل بشكل مباشر في عملية التحكم ولكن تهتم في الإنتاج والجدولة.

يتم توصيل عقد التحكم الموزعة وشاشات العرض الرسومية الخاصة بالمشغل والسيرفرات عبر شبكات خاصة قياسية صناعية وتتم زيادة موثوقية الشبكة عن طريق تكرارية كابلات الاتصال Redundant وتكرارية وحدات الاتصال والمعالجة وتكرارية وحدات الدخل والخرج التي يتم التبديل فيما بينها بشكل أتوماتيكي في حال حدوث فشل في أي مكون من مكونات الشبكة. يقلل هذا النموذج الموزع أيضًا من كمية الكابلات الحقلية عن طريق وضع وحدات الإدخال / الإخراج والمعالجات المرتبطة بها بالقرب من المكان المراد التحكم به. تتلقى وحدات التحكم المعلومات من وحدات الإدخال وتعالج المعلومات وترسل إشارة التحكم الى وحدات الإخراج.

تدعم وحدات التحكم الموزعة الحديثة التعامل مع البروتوكولات الصناعية الحقلية الرقمية مثل Foundation Fieldbus-Profibus-HART-Modbus-PC Lin، بالإضافة لدعم استخدام وتعريف الشبكات العصبونية والتحكم العائم.

تطورت عملية التحكم بالعمليات في المنشآت الصناعية الكبرى ومرت بعدة مراحل، بدأت من خلال لوحات التحكم المحلية الخاصة بكل عملية جزئية ولم يكم هناك رؤية شاملة لعملية التحكم، تطلب ذلك موارد بشرية كبيرة لعملية المراقبة والتحكم بجميع المراحل إضافة لغياب المعلومات التشغيلية بين الأقسام الفرعية.

كان التطور المنطقي التالي هو نقل جميع قياسات المنشأة إلى غرفة تحكم مركزية مأهولة بشكل دائم. كان هذا الأمر أكثر فاعلية من خلال مركزية جميع اللوحات المحلية، أدى ذلك الى انخفاض مستويات الكادر البشري ونظرة عامة أسهل للعملية التكنولوجية. غالبًا ما كانت وحدات التحكم خلف لوحات غرفة التحكم، حيث يتم إرسال جميع مخرجات نظام التحكم الآلي واليدوي إلى المنشأة. ومع ذلك مع وجود تحكم مركزي كان هذا التصميم غير مرن حيث كان لكل حلقة تحكم جهاز تحكم خاص بها وكانت حركة المشغل مستمرة داخل غرفة التحكم مطلوبة لمراقبة جميع أجزاء العملية التحكمية (جميع حلقات التحكم) في الوقت الذي لم تكن شاشات العرض الخاصة بالعملية التكنولوجية قد تطورت بعد. (ما زال هذا الشكل من التحكم موجود في بلدنا مثل بعض أجزاء مصفاة حمص).  حيث ترتبط حلقات التحكم المفردة من خلال أسلاك مباشرة بين التجهيزات الحقلية ومع المشغل المرتبط بها.

نتيجة المشاكل السابقة بدأ مفهوم التحكم الموزع DCS بالظهور مع انطلاق عمل المعالجات التحكمية والبرامج الحاسوبية التي تمثل العملية التكنولوجية إضافة لظهور الواجهات الرسومية وعمليات المحاكاة للعملية التكنولوجية، حيث تم توزيع المعالجات التحكمية على أجزاء موزعة من النظام المراد التحكم به، مع إمكانية وتسهيل وصل إشارات التحكم فيما بينها والربط التسلسلي بين حلقات التحكم وسهولة تعريف إشارات التحكم المتداخلة INTERLOCK. أتاح وجود الحواسب والسيرفرات إمكانية تخزين ومعالجة الإنذارات وسهولة رسم وحفظ المنحنيات البيانية والتسجيل التلقائي للأحداث.

تاريخياً تم بناء أول حاسب صناعي للعمليات التحكمية عام 1959 في مصفاة تكساكو في الولايات المتحدة، وكان أول نظام تحكم موزع DCS من انتاج شركة الهندسة الكهربائية اليابانية يوكوجاوا YOKOGAWA عام 1975 وتطور الأمر وزاد مع انتشار المعالجات الدقيقة والحواسب المصغرة في عالم التحكم.

عند اجراء عملية مقارنة بين المتحكم القابل للبرمجة PLC مع نظام التحكم الموزع DCS نجد أن المتحكم القابل للبرمجة يستخدم للتحكم بالعملية المطلوبة على المستوى المحلي للآلة حيث لا تتطلب عادة الحاجة استخدام متحكمات مضاعفة Redundant لنفس العملية التحكمية ولا تحتاج عادة الى ارسال واستقبال الإشارات التحكمية الى أماكن بعيدة Remote، ففي أغلب الأحيال يرتبط المتحكم مع شاشة مراقبة وإظهار محلية HMI وطرفيات مثل VFD. تتميز هيكلية التحكم الموزع بالموثوقية العالية فإشارات الدخل والخرج الخاصة بالمشغلات والتجهيزات قريبة من المتحكم وبالتالي أقل عرضة لمشاكل الأسلاك الطويلة والتداخلات الكهرومغناطيسية التي تطرأ عليها. لن يؤثر أيضاً فشل أحد وحدات التحكم الموزعة على عمل باقي الوحدات الأخرى ويمكن لكل وحدة العمل دون مشاكل حتى في حال فقدان الاتصال مع السيرفر الرئيسي أو محطة المهندسين.

هناك عدة نقاط يجب أخذها بعين الاعتبار عند دراسة وتصميم منظومات التحكم الموزع ومنها:

-         قد تتعرض شبكة الاتصال التي تربط المتحكمات فيما بيها مع السيرفرات ومحطات المهندسين أو المشغلين الى عملية اختراق خارجي مما قد يؤدي الى كارثة حقيقية، لذا يجب أخذ جميع وسائل الحماية المطلوبة عند عملية التصميم.

-         يمكن أن يؤدي التوصيل البيني للمتحكمات الحقلية فيما بينها الى حدوث مشاكل كهربائية في حلقة التأريض والجهد الزائد العابر.

-         ان استخدام المكونات التكرارية الاحتياطية ضمن نظام التحكم الموزع من متحكمات ووحدات تغذية وكروت وشبكة اتصال وكروت دخل وخرج يجب أن يقابله تكرارية في التجهيزات الحقلية والتجهيزات الميكانيكية والكهربائية، وبالتالي في حال حدوث أي فشل وعطل ضمن أي من المكونات يمكن تجاوزه من خلال المكونات الاحتياطية.