نظام التحكم الموزع

تتصل وحدات المعالجة وشاشات العرض الرسومية للمشغل عبر شبكات خاصة أو شبكات قياسية في الصناعة، ويتم تعزيز موثوقية الشبكة من خلال كابلات احتياطية مزدوجة عبر مسارات متعددة. كما يقلل هذا التصميم الموزع من كمية الكابلات الميدانية عن طريق وضع وحدات الإدخال/الإخراج والمعالجات المرتبطة بها بالقرب من مصنع المعالجة.

تستقبل المعالجات المعلومات من وحدات الإدخال، وتعالجها، وتحدد إجراءات التحكم التي تُرسلها وحدات الإخراج. يمكن أن تكون مدخلات ومخرجات المجال إشارات تناظرية ، مثل حلقة تيار مستمر 4-20  مللي أمبير ، أو إشارات ثنائية الحالة تُشغّل أو تُطفئ، مثل نقاط تلامس المرحل أو مفتاح أشباه الموصلات.

تتصل أنظمة التحكم الموزعة (DCS) بأجهزة الاستشعار والمشغلات، وتستخدم التحكم في نقطة الضبط للتحكم في تدفق المواد عبر المصنع. ومن التطبيقات الشائعة استخدام وحدة تحكم PID مزودة بمقياس تدفق، وتستخدم صمام تحكم كعنصر التحكم النهائي. يرسل نظام التحكم الموزع نقطة الضبط المطلوبة للعملية إلى وحدة التحكم، التي بدورها تُصدر تعليمات للصمام بالعمل، بحيث تصل العملية إلى نقطة الضبط المطلوبة وتحافظ عليها. (انظر المخطط 4-20  مللي أمبير كمثال).

تضم مصافي النفط الكبيرة ومصانع الكيماويات آلاف نقاط الإدخال والإخراج وتستخدم أنظمة تحكم موزعة ضخمة. ومع ذلك، لا تقتصر العمليات على تدفق السوائل عبر الأنابيب، بل يمكن أن تشمل أيضًا أشياء مثل آلات الورق وضوابط الجودة المرتبطة بها، ومحركات السرعة المتغيرة ومراكز التحكم في المحركات ، وأفران الأسمنت ، وعمليات التعدين ، ومرافق معالجة الخامات ، وغيرها الكثير .

يمكن أن تحتوي أنظمة التحكم الموزعة في التطبيقات ذات الموثوقية العالية جدًا على معالجات مزدوجة زائدة مع تبديل "سريع" عند حدوث عطل، وذلك لتعزيز موثوقية نظام التحكم.

على الرغم من أن 4-20  مللي أمبير كان المعيار الرئيسي لإشارات المجال، إلا أن أنظمة DCS الحديثة يمكنها أيضًا دعم بروتوكولات ناقل المجال الرقمية، مثل Foundation Fieldbus وprofibus وHART و modbus وPC Link وما إلى ذلك.

تدعم أنظمة التحكم الموزعة الحديثة أيضًا الشبكات العصبية وتطبيقات المنطق الضبابي . وتركز الأبحاث الحديثة على تصميم وحدات تحكم موزعة مثالية، تعمل على تحسين معيار تحكم H-infinity أو H². ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تطورت أنظمة التحكم في العمليات الصناعية الكبيرة عبر مراحل عديدة. في البداية، كان التحكم يتم من لوحات تحكم محلية في المصنع. إلا أن هذا تطلب إشرافًا بشريًا مكثفًا لمتابعة هذه اللوحات المتفرقة، ولم تكن هناك رؤية شاملة للعملية. وكان التطور المنطقي التالي هو نقل جميع قياسات المصنع إلى غرفة تحكم مركزية مزودة بموظفين بشكل دائم. وقد مثّل هذا فعليًا مركزية جميع لوحات التحكم المحلية، مما وفّر مزايا انخفاض عدد الموظفين وسهولة الإشراف على العملية. غالبًا ما كان المشغلون خلف لوحات غرفة التحكم، وكانت جميع مخرجات التحكم الآلي واليدوي تُرسل إلى المصنع. ومع ذلك، ورغم توفير هذا الترتيب مركزية للتحكم، إلا أنه كان غير مرن، إذ كان لكل حلقة تحكم جهاز تحكم خاص بها، وكان يتطلب تنقلًا مستمرًا للمشغلين داخل غرفة التحكم لمتابعة أجزاء مختلفة من العملية.

مع ظهور المعالجات الإلكترونية وشاشات العرض الرسومية، أصبح من الممكن استبدال وحدات التحكم المنفصلة بخوارزميات حاسوبية، موزعة على شبكة من وحدات الإدخال/الإخراج المزودة بمعالجات تحكم خاصة بها. ويمكن توزيع هذه الوحدات في أرجاء المصنع، والتواصل مع شاشة العرض الرسومية في غرفة أو غرف التحكم. وهكذا وُلد نظام التحكم الموزع.

أتاح إدخال أنظمة التحكم الموزعة (DCS) سهولة الربط وإعادة تكوين عناصر التحكم في المصنع، مثل الحلقات المتتالية وأنظمة التعشيق، وسهولة الربط مع أنظمة الحاسوب الإنتاجية الأخرى. كما مكّن من معالجة الإنذارات بشكل متطور، وأدخل تسجيل الأحداث تلقائيًا، وألغى الحاجة إلى السجلات الورقية مثل مسجلات البيانات، وسمح بربط وحدات التحكم بشبكة، وبالتالي وضعها محليًا في المصنع لتقليل طول الكابلات، ووفر نظرة عامة شاملة على حالة المصنع ومستويات الإنتاج.

استُخدمت الحواسيب الصغيرة المبكرة في التحكم في العمليات الصناعية منذ بداية الستينيات. على سبيل المثال، كان جهاز IBM 1800 حاسوبًا مبكرًا يحتوي على أجهزة إدخال/إخراج لجمع إشارات العمليات في المصنع لتحويلها من مستويات الاتصال الميداني (للنقاط الرقمية) والإشارات التناظرية إلى المجال الرقمي.

تم بناء أول نظام حاسوبي للتحكم الصناعي في عام 1959 في مصفاة تيكساكو بورت آرثر بولاية تكساس باستخدام جهاز RW-300 من شركة رامو-وولدريدج . ^{[ 4 ]}

في عام 1975، طرحت كل من شركة هانيويل وشركة يوكوجاوا اليابانية للهندسة الكهربائية أنظمة التحكم الموزعة (DCS) الخاصة بهما، وهما نظاما TDC 2000 وCENTUM على التوالي. كما طرحت شركة بريستول الأمريكية وحدة التحكم العالمية UCS 3000 في العام نفسه. وفي عام 1978، طرحت شركة فالميت نظام التحكم الموزع الخاص بها Damatic (وهو أحدث جيل من أنظمة Valmet DNAe القائمة على الويب ^{[ 5 ]} ). وفي عام 1980، طرحت شركة بيلي (التي أصبحت الآن جزءًا من شركة ABB ^{[ 6 ]} ) نظام NETWORK 90، وطرحت شركة فيشر كونترولز (التي أصبحت الآن جزءًا من شركة إيمرسون إلكتريك ) نظام PROVoX، وطرحت شركة فيشر آند بورتر (التي أصبحت أيضًا جزءًا من شركة ABB ^{[ 7 ]} ) نظام DCI-4000 (حيث يرمز DCI إلى أجهزة التحكم الموزعة).

ظهر نظام التحكم الموزع (DCS) بشكل كبير نتيجةً لزيادة توفر الحواسيب الصغيرة وانتشار المعالجات الدقيقة في مجال التحكم بالعمليات. وقد استُخدمت الحواسيب في أتمتة العمليات لبعض الوقت، سواءً في شكل التحكم الرقمي المباشر (DDC) أو التحكم في نقطة الضبط. في أوائل سبعينيات القرن الماضي، طورت شركة تايلور إنسترومنت (التي أصبحت الآن جزءًا من شركة ABB) نظام 1010، وشركة فوكسبورو نظام FOX1، وشركة فيشر كونترولز نظام DC ^{2 ، وشركة} بيلي كونترولز أنظمة 1055. جميع هذه الأنظمة كانت تطبيقات للتحكم الرقمي المباشر (DDC) مُنفذة داخل حواسيب صغيرة (مثل DEC PDP-11 ، وVarian Data Machines ، وMODCOMP، وغيرها) ومتصلة بأجهزة إدخال/إخراج خاصة. وبهذه الطريقة، تم تطبيق تحكم متطور (بالنسبة لتلك الفترة) في كلٍ من العمليات المستمرة والدفعية. أما النهج الأكثر تحفظًا فكان التحكم في نقطة الضبط، حيث أشرفت حواسيب العمليات على مجموعات من وحدات التحكم التناظرية. وفرت محطة العمل رؤيةً للعملية باستخدام النصوص والرسومات البسيطة. وكان توفر واجهة مستخدم رسومية كاملة الوظائف أمرًا بعيد المنال آنذاك.

كان تضمين وحدات وظائف التحكم عنصرًا أساسيًا في نموذج نظام التحكم الموزع (DCS). وقد تطورت هذه الوحدات من مفاهيم أنظمة التحكم الرقمي المباشر (DDC) البدائية، وتحديدًا من خلال برمجيات "الجدول المُدار". تُعد وحدات الوظائف من أوائل تطبيقات البرمجيات الموجهة للكائنات، حيث كانت عبارة عن "وحدات" برمجية مستقلة تحاكي مكونات التحكم في الأجهزة التناظرية، وتؤدي مهامًا ضرورية للتحكم في العمليات، مثل تنفيذ خوارزميات PID. ولا تزال وحدات الوظائف تُشكل الطريقة السائدة للتحكم لدى موردي أنظمة التحكم الموزعة، وتدعمها تقنيات رئيسية مثل Foundation Fieldbus ^{[ 8 ]} حتى اليوم.

قامت شركة ميداك سيستمز، ومقرها سيدني، أستراليا، بتطوير نظام تحكم رقمي مباشر موزع موجه نحو الكائنات في عام 1982. يتألف النظام المركزي من 11 معالجًا دقيقًا تتشارك في المهام والذاكرة المشتركة، ويتصل بشبكة اتصالات تسلسلية لوحدات تحكم موزعة، كل منها يعمل بمعالجين من طراز Z80. تم تركيب النظام في جامعة ملبورن.

كان الاتصال الرقمي بين وحدات التحكم الموزعة ومحطات العمل وعناصر الحوسبة الأخرى (الوصول المباشر بين الأجهزة) إحدى المزايا الرئيسية لأنظمة التحكم الموزعة. وقد انصبّ الاهتمام بشكل خاص على الشبكات، التي وفرت خطوط الاتصال بالغة الأهمية، والتي كان لا بد لتطبيقات العمليات أن تتضمن وظائف محددة كالتحديد والتكرار. ونتيجة لذلك، تبنى العديد من الموردين معيار الشبكات IEEE 802.4. مهّد هذا القرار الطريق لموجة من عمليات التحديث الضرورية عندما انتقلت تكنولوجيا المعلومات إلى أتمتة العمليات، وساد معيار IEEE 802.3 بدلاً من IEEE 802.4 كشبكة تحكم محلية.

في ثمانينيات القرن الماضي، بدأ المستخدمون ينظرون إلى أنظمة التحكم الموزعة (DCS) على أنها أكثر من مجرد تحكم أساسي في العمليات. ومن الأمثلة المبكرة على أنظمة التحكم الموزعة ذات التحكم الرقمي المباشر ، نظامٌ أنجزته شركة Midac الأسترالية في الفترة 1981-1982 باستخدام أجهزة من تصميم شركة R-Tec الأسترالية. استخدم النظام المُثبَّت في جامعة ملبورن شبكة اتصالات تسلسلية، تربط مباني الحرم الجامعي بوحدة تحكم مركزية. كانت كل وحدة تحكم عن بُعد تُشغِّل معالجين دقيقين من نوع Z80 ، بينما كانت وحدة التحكم المركزية تُشغِّل أحد عشر معالجًا من نوع Z80 في تكوين معالجة متوازية مع ذاكرة مشتركة مُقسَّمة إلى صفحات لتقاسم المهام، وكان بإمكانها تشغيل ما يصل إلى 20,000 عنصر تحكم في وقت واحد.

كان يُعتقد أنه إذا أمكن تحقيق الانفتاح ومشاركة كميات أكبر من البيانات في جميع أنحاء المؤسسة، فسيُمكن تحقيق إنجازات أعظم. أسفرت المحاولات الأولى لزيادة انفتاح أنظمة التحكم الموزعة عن اعتماد نظام التشغيل السائد آنذاك: يونكس . طُوّر نظام يونكس وتقنية الشبكات المصاحبة له، بروتوكول TCP/IP، من قِبل وزارة الدفاع الأمريكية من أجل الانفتاح، وهي تحديدًا المشكلة التي كانت الصناعات التحويلية تسعى لحلها.

ونتيجةً لذلك، بدأ الموردون أيضًا في تبني شبكات قائمة على الإيثرنت مع طبقات بروتوكول خاصة بهم. لم يُطبَّق معيار TCP/IP بالكامل، لكن استخدام الإيثرنت مكّن من تطبيق أولى تطبيقات إدارة الكائنات وتقنية الوصول إلى البيانات العالمية. شهدت ثمانينيات القرن الماضي أيضًا دمج أولى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في بنية أنظمة التحكم الموزعة (DCS). كما ظهرت أنظمة تسجيل بيانات المصانع للاستفادة من النطاق الموسع لأنظمة الأتمتة. كانت شركة فوكسبورو أول مورد لأنظمة التحكم الموزعة يتبنى تقنيات شبكات يونكس والإيثرنت، حيث قدمت نظام I/A Series ^{[ 9 ]} في عام 1987.

اكتسب التوجه نحو الانفتاح في ثمانينيات القرن الماضي زخمًا خلال تسعينياته مع ازدياد استخدام المكونات الجاهزة (COTS) ومعايير تكنولوجيا المعلومات. ولعلّ أبرز تحوّل شهده هذا العصر هو الانتقال من نظام التشغيل يونكس إلى بيئة ويندوز. وبينما لا يزال مجال أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي ( RTOS ) لتطبيقات التحكم يهيمن عليه إصدارات تجارية من يونكس أو أنظمة تشغيل احتكارية، فقد انتقلت جميع التطبيقات الأخرى، باستثناء التحكم في الوقت الحقيقي، إلى ويندوز.

أدى دخول مايكروسوفت إلى طبقتي سطح المكتب والخادم إلى تطوير تقنيات مثل OLE للتحكم في العمليات (OPC) ، والتي أصبحت الآن معيارًا صناعيًا فعليًا للاتصال. كما بدأت تقنية الإنترنت في إحداث تأثيرها في مجال الأتمتة والعالم، حيث تدعم معظم واجهات المستخدم الرسومية لأنظمة التحكم الموزعة (DCS HMI) الاتصال بالإنترنت. وشهدت التسعينيات أيضًا ما يُعرف بـ"حروب ناقل البيانات الميداني"، حيث تنافست منظمات متنافسة لتحديد ما سيصبح معيار IEC لناقل البيانات الميداني للاتصال الرقمي مع أجهزة القياس الميدانية بدلاً من الاتصالات التناظرية 4-20 مللي أمبير. وتم تركيب أولى أنظمة ناقل البيانات الميداني في التسعينيات. ومع نهاية العقد، بدأت هذه التقنية تكتسب زخمًا كبيرًا، حيث ترسخت مكانتها في السوق حول بروتوكولات Ethernet I/P وFoundation Fieldbus وProfibus PA لتطبيقات أتمتة العمليات. ^قام بعض الموردين ببناء أنظمة جديدة كليًا لتعزيز وظائفها باستخدام تقنية ناقل البيانات الميداني، مثل نظام Rockwell PlantPAx، ونظامي Experion وPlantscape SCADA من Honeywell ، ونظام System 800xA من ABB ، ^{[ 10 ]} ونظام التحكم DeltaV من Emerson Process Management من Emerson Process Management ، ونظام ^SPPA -T3000 من Siemens ^{، [ 12 ]} أو نظام Simatic PCS 7 من Simatic ، ^{[ 13 ]} ونظام التحكم Microcon+ من Forbes Marshall، ^{[ 14 ]} ونظام Harmonas-DEO من Azbil Corporation . ^{[ 15 ]} وقد استُخدمت تقنيات ناقل البيانات الميداني لدمج تطبيقات الآلات والمحركات والجودة ومراقبة الحالة في نظام تحكم موزع واحد (DCS) باستخدام نظام Valmet DNA. ^{[ 5 ]}

كان تأثير المنتجات الجاهزة (COTS) أكثر وضوحًا على مستوى المكونات المادية. لسنوات، كان النشاط الرئيسي لموردي أنظمة التحكم الموزعة (DCS) هو توريد كميات كبيرة من المكونات المادية، وخاصة وحدات الإدخال/الإخراج ووحدات التحكم. تطلب الانتشار الأولي لأنظمة التحكم الموزعة تركيب كميات هائلة من هذه المكونات، والتي كان معظمها يُصنع من الصفر من قبل موردي هذه الأنظمة. إلا أن مكونات الحاسوب القياسية من شركات مصنعة مثل إنتل وموتورولا جعلت من غير المجدي اقتصاديًا لموردي أنظمة التحكم الموزعة الاستمرار في تصنيع مكوناتهم ومحطات العمل ومكونات الشبكات الخاصة بهم.

مع تحوّل الموردين إلى مكونات جاهزة للاستخدام (COTS)، لاحظوا أيضًا انكماشًا سريعًا في سوق الأجهزة. لم تُسفر هذه المكونات عن خفض تكاليف التصنيع للموردين فحسب، بل ساهمت أيضًا في خفض الأسعار تدريجيًا للمستخدمين النهائيين، الذين ازداد استياؤهم من ارتفاع تكاليف الأجهزة بشكل غير مبرر. تمكّن بعض الموردين، الذين كانوا يتمتعون سابقًا بمكانة أقوى في مجال وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ، مثل روكويل أوتوميشن وسيمنز، من الاستفادة من خبرتهم في تصنيع أجهزة التحكم لدخول سوق أنظمة التحكم الموزعة (DCS) بعروض فعّالة من حيث التكلفة، في حين لا تزال استقرار هذه الأنظمة الناشئة وقابليتها للتوسع وموثوقيتها ووظائفها قيد التحسين. قدّم موردو أنظمة التحكم الموزعة التقليديون جيلًا جديدًا من هذه الأنظمة قائمًا على أحدث معايير الاتصالات ومعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC)، مما أدى إلى ظهور اتجاه نحو دمج المفاهيم والوظائف التقليدية لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة وأنظمة التحكم الموزعة في حل واحد شامل يُسمى " نظام أتمتة العمليات " (PAS). ولا تزال الفجوات قائمة بين الأنظمة المختلفة في مجالات مثل: سلامة قاعدة البيانات، ووظائف التصميم المسبق، ونضج النظام، وشفافية الاتصالات، والموثوقية. على الرغم من أنه من المتوقع أن تكون نسبة التكلفة متقاربة (كلما زادت قوة الأنظمة، زادت تكلفتها)، إلا أن واقع أعمال الأتمتة غالباً ما يعتمد على استراتيجية محددة لكل حالة على حدة. وتُعرف الخطوة التطورية التالية بأنظمة أتمتة العمليات التعاونية .

ومما زاد الأمر تعقيداً، أن الموردين أدركوا أيضاً أن سوق الأجهزة بدأ يتشبع. كما أن دورة حياة مكونات الأجهزة، مثل وحدات الإدخال/الإخراج والأسلاك، تتراوح عادةً بين 15 و20 عاماً، مما يجعل سوق الاستبدال صعباً. ولا تزال العديد من الأنظمة القديمة التي تم تركيبها في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي قيد الاستخدام حتى اليوم، وهناك قاعدة كبيرة من الأنظمة المثبتة في السوق تقترب من نهاية عمرها الافتراضي. وقد كانت الاقتصادات الصناعية المتقدمة في أمريكا الشمالية وأوروبا واليابان تمتلك بالفعل آلافاً من أنظمة التحكم الموزعة (DCS)، ومع قلة المصانع الجديدة، إن وجدت، كان سوق الأجهزة الجديدة يتحول بسرعة إلى مناطق أصغر حجماً، وإن كانت أسرع نمواً، مثل الصين وأمريكا اللاتينية وأوروبا الشرقية.

بسبب انكماش سوق الأجهزة، بدأ الموردون في التحول الصعب من نموذج أعمال قائم على الأجهزة إلى نموذج قائم على البرمجيات والخدمات ذات القيمة المضافة. ولا يزال هذا التحول مستمرًا حتى اليوم. وقد توسعت محفظة التطبيقات التي يقدمها الموردون بشكل كبير في التسعينيات لتشمل مجالات مثل إدارة الإنتاج، والتحكم القائم على النماذج، والتحسين في الوقت الفعلي، وإدارة أصول المصانع، وأدوات إدارة الأداء في الوقت الفعلي، وإدارة الإنذارات ، وغيرها الكثير. ومع ذلك، فإن الحصول على القيمة الحقيقية من هذه التطبيقات غالبًا ما يتطلب محتوى خدميًا كبيرًا، وهو ما يوفره الموردون أيضًا.

تشمل أحدث التطورات في أنظمة التحكم الموزعة (DCS) التقنيات الجديدة التالية:

1. الأنظمة والبروتوكولات اللاسلكية ^{[ 16 ]}
2. الإرسال عن بعد ، والتسجيل، وسجل البيانات
3. واجهات وعناصر تحكم الأجهزة المحمولة
4. خوادم الويب المدمجة

تتجه أنظمة التحكم الموزعة (DCS) بشكل متزايد، ومن المفارقات، نحو المركزية على مستوى المصنع، مع إمكانية تسجيل الدخول إلى المعدات عن بُعد. وهذا يُمكّن المشغل من التحكم على مستوى المؤسسة (المستوى الكلي) وعلى مستوى المعدات (المستوى الجزئي)، داخل المصنع وخارجه، لأن أهمية الموقع الفعلي تتضاءل بسبب الترابط الشبكي، وذلك بفضل الوصول اللاسلكي وعن بُعد بشكل أساسي.

كلما تطورت بروتوكولات الاتصال اللاسلكي وتحسنت، زاد دمجها في أنظمة التحكم الموزعة (DCS). أصبحت وحدات التحكم في أنظمة التحكم الموزعة مزودة بخوادم مدمجة، وتوفر إمكانية الوصول إلى الإنترنت أثناء التنقل. يبقى أن نرى ما إذا كانت أنظمة التحكم الموزعة ستقود إنترنت الأشياء الصناعية (IIOT) أم ستستعير عناصر أساسية منه.

يُوفر العديد من الموردين خيار واجهة المستخدم الرسومية المتنقلة، المتوافقة مع نظامي التشغيل أندرويد و iOS . ومع هذه الواجهات، أصبح خطر الاختراقات الأمنية والأضرار المحتملة للمصنع والعمليات واقعًا ملموسًا.