أتمتة العمليات- أنظمة التحكم-6 Process Automation System- Control System

 

أتمتة العمليات- أنظمة التحكم-6 Process Automation System- Control System

المكونات التفصيلية لنظم التحكم الموزعة Distributed Control System:

أنظمة التحكم الموزعة هي امتداد لوحدات التحكم التقليدية، المفهوم الرئيسي لتطبيق أنظمة التحكم الموزعة مشتق من فكرة لامركزية وحدة التحكم وإنشاء شبكة مشتركة بين محطات المهندسين والمشغلين. كما هو موضح بالشكل:

المستوى الحقلي الأول يمثل الحساسات والمشغلات الحقلية ودارات قيادتها التي ترتبط مع المتحكمات الحقلية اما عن طريق الوصل المباشر كما ذكرنا سابقا Hardwired أو من خلال أحد البروتوكولات الحقلية مثل Foundation Fieldbus كما في الشكل السابق.

المستوى الحقلي الثاني يمثل المتحكمات الحقلية المحلية التي ترتبط مع الحساسات والمشغلات الحقلية من جهة ومع شبكة الاتصال الحقلية التي تربط المتحكمات فيما بينها من جهة أخرى. ضمن المثال السابق أربعة أشكال من المتحكمات الحقلية، المتحكم الأول وهو Machine Controller الذي يربط جميع المكونات الحقلية مثل المحركات وأجهزة قيادتها وحساس الضغط وصمام العزل وشاشة اظهار محلية ومودم اتصال من جهة والمستوى الأعلى من جهة أخرى. المتحكم الثاني هو المتحكم القابل للبرمجة PLC والذي يربط أيضاً المكونات الحقلية الخاصة به من محركات وأجهزة قيادتها والحساس التقاربي والانذار الضوئي وشاشة الاظهار المحلية ومودم اتصال من جهة ومستوى المراقبة والاشراف من جهة أخرى. المتحكم الثالث هو متحكم العمليات Process Controller الذي يرتبط مع المكونات الحقلية من خلال موديولات دخل خرج بعيدة Remote IO هذه الموديولات بدورها ترتبط مع إشارات الدخل والخرج المطلوبة من حساسات ومشغلات عن طريق شبكة صناعية محلية ومن جهة أخرى كما باقي المتحكمات يرتبط مع طبقة الاشراف والمراقبة. المتحكم الأخير هو Single Loop Controller والذي يمثل حلقة تحكم PIDافرادية يرتبط مع الحساس الحقلي والمشغل الحقلي الخاص به بشكل مباشر ومن طرف آخر يرتبط مع مستوى الاشراف والمراقبة.

 تسمح بروتوكولات الاتصال الحقلية الواصلة بين المكونات الحقلية بالحصول على معلومات أكثر من قراءة الحساس أو أوامر التشغيل المطلوبة من المشغل إذ تعمل على تحصيل وقراءة بيانات التجهيزة الحقلية وحالتها الفنية وبيان رمز الخطأ الناتج عن التجهيزة إضافة لإمكانية التخاطب مباشرة بين التجهيزات دون الحاجة لإرسال المعلومات الى المتحكم الحقلي. يعمل عادة كل متحكم حقلي بشكل منفصل تماماً عن عمل باقي المتحكمات ولكن هذا لا يمنع عند الحاجة من الاتصال وتبادل المعلومات فيما بينها من خلال طبقة الاشراف والمراقبة.

تملك المكونات الفيزيائية عادة ضمن هذا المستوى تكرارية Redundant في العتاد الصلب، ففي كل عقدة يمكننا رؤية وحدات تغذية مضاعفة، موديولات دخل وخرج مضاعفة، متحكمات مضاعفة، كروت اتصال مضاعفة، بحيث تعمل جميع المكونات بشكل متوازٍ وتكون جاهزة للدخول والعمل في حال فشل أي مكون منها.

المستوى الثالث هو مستوى الاشراف والمراقبة، ضمن هذا المستوى نجد محطات المهندسينEngineering Workstation ومحطات المشغلين Operators Workstations وسيرفرات الخدمة بمختلف أنواعها (سيرفرات الأرشفة Historical & Archiving Server-سيرفرات حساب وبيان الأداء Performance Server-سيرفرات الرسومات والمحاكاة للعملية التكنولوجية Simulation & Control Server-سيرفرات الاتصال مع منظومات تحكم مستقلة عن DCS 3Party Communication Server-وغيرها من السيرفرات حسب الحاجة). كما في الشكل التالي الذي يبين توزع السيرفرات ضمن اللوحة:

تعمل السيرفرات الموجودة ضمن هذه الطبقة على تنفيذ المهمة الأساسية المطلوبة منها من خلال اتصالها بشكل مباشر مع طبقة المتحكمات الحقلية لإرسال واستقبال المعلومات المطلوبة، يكون عادة لكل سيرفر من هذه السيرفرات سيرفر احتياطي Redundant يدخل بالخدمة مباشرة عند حصول أي مشكلة في السيرفر الأساسي.

أما محطة المهندسين فتحوي جميع البرمجيات المطلوبة للاتصال مع المتحكمات وبرمجتها ومحاكاتها والتدخل المباشر في حال الضرورة، حيث تحوي برمجيات الاتصال وبرمجيات الرسومات والمحاكاة وبرمجيات البرنامج المنطقي الخاص بكل متحكم، يكون عادة محطة مهندسين خاصة بالبرامج المنطقية للمتحكمات ومحطة أخرى لبرمجيات المحاكاة والتحكم. تتصل محطات المهندسين مباشرة مع طبقة المتحكمات عند الحاجة ولا ضرورة لاستمرار اتصال محطات المهندسين مع طبقة المتحكمات الا عندما نحتاج ذلك.

أما بالنسبة للسيرفرات العاملة ضمن هذه الطبقة فتبقى دوماً متصلة مع طبقة المتحكمات لتحصيل وتبادل البيانات مع طبقة المتحكمات بالزمن الحقيقي.

لا يوجد معيار مشترك بين جميع الشركات العاملة والمزدة لأنظمة التحكم الموزع DCS لشبكة الربط والتواصل بين طبقة المتحكمات وطبقة الاشراف والمراقبة Control Busأو Plant Bus، حيث تعتمد كل شركة على بروتوكول ومعيار اتصال مختلف وخاص بها ضمن هذا الطبقة. تتميز شبكة الربط هذه كما طبقة المتحكمات وطبقة السيرفرات بالتكرارية Redundant حيث تمتد شبكة ربط مضاعفة على طول الشبكة الأساسية تدخل بالخدمة في حال حصول أي مشكلة ضمن الشبكة الأساسية.

ترتبط السيرفرات الموجودة ضمن هذه الطبقة مع محطات المشغلين عن طريق شبكة ربط ثانية مستقلة Terminal Bus، ترتبط كل محطة للمشغلين مع سيرفر محدد حسب الوظيفة المطلوبة من هذه المحطة.

يمكن تلخيص عمل محطة المهندسين بما يلي:

-         انشاء رسومات تحاكي العملية التكنولوجية باستخدام برنامج إنشاء الرسومات ضمن برمجيات SCADA.

-         تكوين حلقات التحكم / حلقات المراقبة

-         تعيين وتحديد كل مدخل ومخرج من وحدات الدخل والخرجI/O  أثناء إنشاء البرامج التطبيقية.

-         تكوين وبرمجة منطق الفتح والاغلاق وتسلسل العملية التكنولوجية المطلوبة.

-         تنزيل البرنامج المنطقي الذي تم إنشاؤه على عقد النظام المختلفة.

-          إنشاء "توثيق ذاتي" أي ينبغي أن يكون من الممكن تخزين المعلومات التي تم إنشاؤها على قرص مضغوط وذلك لتمكين المستخدم من أخذ نسخة مطبوعة من المخطط المنطقي للنظام.

-         محاكاة حلقات التحكم والبرنامج المنطقي التي تم إنشاؤها وذلك قبل تنزيلها إلى أي معالج تحكم أو محطات مشغل.

ويمكن تلخيص عمل محطة المشغلين بمايلي:

-         مراقبة جميع عمليات النظام وتنفيذ إجراءات التحكم وتعديل بارامترات التحكم عند الحاجة.

-         عادة ما توجد محطات عمل متعددة للمشغلين تحتوي كل منها على جميع الرسوم البيانية للعملية التكنولوجية والانذارات وتسلسل الأحداث وكلما يحتاجه المشغل.

-         تسجيل الدخول والخروج من النظام باستخدام كلمات المرور وأسماء المستخدمين.

-         تفعيل أوضاع التحكم لمختلف الحلقات في النظام الوضع اليدوي والأوتوماتيكي، وضع الحلقات في الخدمة أو إخراجها.

-         تنفيذ إجراءات التحكم اليدوي للنظام مثل البدء/الإيقاف والفتح/الإغلاق.

-         عرض الأحداث التاريخية للعملية التكنولوجية ونقلها إلى ملفات أخرى للتصدير.

-         عرض التسلسل الزمني للأحداث التاريخية وتحديد السبب الرئيسي لحدوث أي عطل.

تعمل مكونات هذه الطبقة على مبدأ Clint/Server وبالتالي الجهاز الأساسي ضمن هذه الطبقة هو المبدل Switch بنوعيه الموجه Managed والغير موجه Unmanagedحيث يربط هذا المبدل محطات المشغلين ومحطات المهندسين والسيرفرات بعضها مع بعض، يتم تركيب عادة مبدلات احتياطيةRedundancy تدخل بالخدمة مباشرة في حال حدوث أي مشكلة بالمبدل الأساسي ويربط المبدل الاحتياطي عادة مع شبكة الربط الاحتياطية.  

 

المستوى الرابع هو مستوى التخطيط والادارة يحوي هذا المستوى نظام تنفيذ الإدارة Management Execution System MES، حيث يتم مراقبة المنشأة الصناعية بأكملها انطلاقاً من المواد الخام وصولاً الى البضائع النهائية المُنتجة، يوفر هذا الأمر للإدارة رؤية شاملة في الزمن الحقيقي لكفاءة الإنتاج وتقليل الهدر حتى على مستوى العمالة المطلوبة، دون التطرق للشؤون المالية.

ان تطبيقات MES الحديثة تم تصميمها لتكون عملية ادخال البيانات لها بشكل مؤتمت من طبقة الاشراف والمراقبة وذلك بخلاف التطبيقات السابقة التي يتم ادخال البيانات لها بشكل يدوي، ومن هذه الطرق

-         حفظ البيانات على مصدر خارجي يتم من خلاله إعادة إدخالها الى برمجيات MES.

-         استقبال البيانات عن طريق خدمات الويب بين المستويين الرابع والثالث.

-         ادخال البيانات عن طريق الباركود أو أنظمة ادخال أخرى.

-         تبادل البيانات عن طريق بروتوكول OPC أو بروتوكولات أخرى بين المستويين الثالث والرابع.

المستوى الخامس هو مستوى التخطيط وإدارة موارد المؤسسات على مستوى الشركات والمنشآت الصناعية بأكملها Enterprise resource planning ERP. يوفر هذا المستوى للإدارة العليا للمنشآت من المعلومات الكاملة لصناعة القرار على كافة مستويات هرم التحكم، يعمل مستوى نظام تنفيذ الإدارة MES ضمن المستوى الرابع على إدارة ومراقبة منشأة واحدة على خلاف المستوى الخامس الذي يراقب ويدير جميع المنشآت بجميع المستويات. وهذا المستوى موجه نحو الشؤون المالية والاقتصاد والمبالغ المالية. يرتبط مستوى تخطيط الموارد بعدة مجالات منها دراسة الموردين والحاجة إليهم، دراسة التوريدات وجدولتها، المحاسبة والإدارة المالية، دراسة النفقات التشغيلية، إدارة الموارد البشرية، التسويق، إدارة الجودة.

تعتبر المستويات الثلاث الأولى أساسية في أي منظومة تحكم موزع DCS ولا غنى عن أي منها في أي حالة، بينما لا يعتبر المستويين الرابع والخامس أساسيين في هذه المنظومة.